聲明 本人鄭重聲明: 所呈交的學(xué)位論文， 是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下， 獨立進行研究工 作所取得的成果。 盡我所知， 除文中己 經(jīng)注明引用的內(nèi)容外， 本學(xué)位論文的研究 成果不包含任何他人享有著作權(quán)的內(nèi) 容。 對本論文所涉及的 研究工作做出 貢獻的 其他個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。 簽 名:日 期: 浙江人學(xué)碩 七 學(xué)位論文 第一章 第一章 緒論 1 . 1 背景 工業(yè)革命迅速推進了世界工業(yè)化的進程， 提高了社會發(fā)展水平和人類生活質(zhì) 量。 然而， 全球經(jīng)濟的急劇增長對能源的需求不斷增加， 而地球上可利用的常規(guī) 能源卻非常有限， 成為阻礙人類進一步發(fā)展的障礙。 另外這些非可再生能源的大 量燃燒造成了溫室效應(yīng)， 氣候變暖， 人類賴以生存的環(huán)境不斷惡化。 能源危機和 環(huán)境問題成為人類所面臨的兩大難題。 為了解決這兩大矛盾， 實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn) 略， 可再生、 開發(fā)清潔又無污染的新能源得到了空前的重視。 風(fēng)能作為新能源的 一個重要組成部分， 是新能源中技術(shù)中最成熟、 最具開發(fā)條件和廣闊商業(yè)化前景 的一種發(fā)電方式。 而且風(fēng)能具有取之不盡， 用之不竭的特點， 據(jù)估計， 全球可利 用的風(fēng)能總量在5 3 , o o o t w h / 年。 正是由于這些特點， 世界各國都非常重視風(fēng)力 發(fā)電技術(shù)。 近幾年， 風(fēng)力發(fā)電己 經(jīng)獲得了重大的發(fā)展， 隨著技術(shù)水平的提高和市場不斷 擴大， 風(fēng)力發(fā)電增長迅速。 單機容量不斷擴大， 國外有實力的企業(yè)在開發(fā)3 -5 mv 機組，目 前兆瓦機組已 經(jīng)商業(yè)化。據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會 ( e u r o p e w i n d e n e r g y a s s o c i a t i o n ) 和美國 風(fēng)能 協(xié) 會滬m e ri c a w i n d e n e r g y a s s o c i a t io n ) 的 統(tǒng)計， 截至2 0 0 3 年底止，全世界風(fēng)電裝機容量己達到 3 9 .2 9 4 g w，其中 2 0 0 3年新裝機容量為 8 . 1 3 3 g w，比 上一年度增長2 6 % ， 預(yù)計在下一個 2 0 年內(nèi) 會繼續(xù)保持兩位數(shù)的 增長勢頭。 而國內(nèi)， 5 0 2 0 o w的微型風(fēng)力發(fā)電 機組技術(shù)也已經(jīng)成熟， 并投入批量生產(chǎn)。 1 2 0 k w 小型風(fēng)力發(fā)電 機組研制也獲得成功， 達到了小批量生產(chǎn)階段。 對于中 大型風(fēng)力發(fā)電 機組， 截止到2 0 0 3 年底， 運行風(fēng)力發(fā)電機組累計達1 0 4 2 臺， 總?cè)?量為5 6 7 . 0 2 m w 。但在所安裝的所有機組中，原裝進口 機占9 0 %以 上，其余部分 主要是與國外廠商合作生產(chǎn)的機組。 完全由國內(nèi)研制生產(chǎn)的機組數(shù)量極少， 致使 我國的風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到嚴重影響， 因此對我國大功率風(fēng)力發(fā)電機組進行國 產(chǎn)化是很必要的。 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文第一章 1 .2 數(shù)字控制技術(shù) 1 .2 . 1 數(shù)字控制技術(shù)的概念和發(fā)展過程 電力電 子電 路的控制從最初以 相位控制為手段，由 分立元件組成的控制電 路發(fā)展到集成控制器， 再到如今旨在實現(xiàn)高頻開關(guān)的計算機控制， 并向著頻率更 高、 損耗更低和全數(shù)字化的方向發(fā)展。 傳統(tǒng)的模擬控制電路存在控制精度低、 動 態(tài)響應(yīng)慢、 參數(shù)整定不方便、 溫度漂移嚴重和容易老化等缺點. 而專用集成控制 芯片的出現(xiàn)大大簡化了電力電子電路的控制電 路，提高了控制信號的開關(guān)頻率， 只需接若干阻容元件即 可構(gòu)成具有校正環(huán)節(jié)的模擬調(diào)節(jié)器，提高了電路的可靠 性。 但是正是由 于阻容元件的 存在， 模擬控制電 路的固 有缺陷， 如元件參數(shù)的精 度和一致性、 元件老化等問題仍然存在。 此外， 模擬集成控制芯片還存在功耗較 大、集成度低、控制不夠靈活和通用性不強等問題。 用數(shù)字控制代替模擬控制，可以消除溫度漂移等常規(guī)模擬調(diào)節(jié)器難以克服 的缺點， 有利于參數(shù)整定和變參數(shù)調(diào)節(jié)， 便于通過軟件編程方便地調(diào)整控制方案 和實現(xiàn)多種新型控制策略。同時減少了元器件數(shù)目、 簡化硬件結(jié)構(gòu)， 從而提高系 統(tǒng)的可靠性和集成度. 1 .2 .2 電 力電 子數(shù) 字 控制系統(tǒng)研究 現(xiàn)狀 隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)和數(shù)字信號處理技術(shù)的迅速發(fā)展，各種先 進復(fù)雜的電力電子控制方法不斷涌現(xiàn)并在實際系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。 由于控制對象的 不同， 數(shù)字控制系統(tǒng)也千差萬別， 以m c u 為核心的控制結(jié)構(gòu)是當(dāng)前電力電子數(shù)字 控制的主要手段。 但是由 于m c u 本身的局限 性和電 力電 子系統(tǒng)對控制要求不斷提 高， 這種控制結(jié)構(gòu)己 經(jīng)在逐漸被其他數(shù)字控制結(jié)構(gòu)所取代。 從目 前發(fā)展情況來看， 電力電 子數(shù)字控制系統(tǒng)主要有以 下三種結(jié)構(gòu)側(cè) : 1 . 2 . 2 . 1 以d s p 為核心的數(shù)字控制系統(tǒng) 自 從d s p 芯片問世以來，由于其較之單片機有更為突出的優(yōu)點， 如更快的處 理速度、 更高的集成度和更大容量的存儲器， d s p 芯片不僅僅限于數(shù)字信號處理 領(lǐng)域， 而且為各種工業(yè)控制， 特別是快過程控制， 提供有力的硬件支持。電力電 子系統(tǒng)是一個典型的快過程系統(tǒng)， 由于d s p 的卓越性能， 許多復(fù)雜控制算法都能 在很短時間內(nèi)實現(xiàn)， 這樣就使得電力電子系統(tǒng)數(shù)字控制得以實現(xiàn)。 目 前一些電力 浙江大學(xué)碩 1 : 學(xué)位論文 第一章 電子變換器都基于d s p 的數(shù)字控制。 雖然d s p 有許多優(yōu)點， 但也存在一些局限 性，如采樣頻率的選擇、 p 哪 信號頻率及其精度、采樣延時、運算時間及其精度 等，這些因素會或多或少的影響電路的控制性能。 1 . 2 . 2 . 2 基于p p g a / c p ld的 數(shù)字控制系統(tǒng) 對一些快速性要求比 較高的電力電 子系統(tǒng)， 一般的d sp處理器難以滿足其控 制要求， 盡管勉強能實現(xiàn)， 但由于其絕大部分時間都用在核心算法上， 對其他一 些功能處理就無暇顧及，從而浪費 dsp的大部分硬件資源。 a sic技術(shù)的發(fā)展為 此提供一個很好的解決方案。 但是a s ic芯片設(shè)計的高投入和長周期的開發(fā)特點， 僅僅為那些市場潛力大的 特殊應(yīng)用場合提供有效的、 低成本的方案。 fpga/ c p ld 的出 現(xiàn)無疑為 縮短電 子產(chǎn)品開發(fā)周期提供另一片靚麗的天空。 fpga和cpld都是 可編程邏輯器件， 它們是在pal ， g al等邏輯器件的基礎(chǔ)上發(fā)展期來的， 它不僅可 以替代一些簡單的數(shù)字ic芯片，而且還可以用來實現(xiàn)一些復(fù)雜控制算法。 1 . 2 . 2 . 3 . 基于d sp和f p g a / c p ld的數(shù)字控制系統(tǒng) 鑒于d s p 和f p g a 各自 的 優(yōu)點， 許多 研究者結(jié)合它們各自 優(yōu)點組成數(shù)字控制 系統(tǒng)。 它不僅可以提高系統(tǒng)控制性能， 而且還能為各種電力電子系統(tǒng)的研發(fā)提供 一種通用的開發(fā)平臺。 這樣一種通用平臺可以把研發(fā)人員從繁重、 重復(fù)的硬件設(shè) 計中解脫出來， 使他們能全身心投入產(chǎn)品的優(yōu)化和新產(chǎn)品的開發(fā)。 這也符合當(dāng)前 電力電子發(fā)展的趨勢。 通用硬件平臺的開發(fā)有利于電力電子模塊化構(gòu)建; 有利于 全數(shù)字控制系統(tǒng)實現(xiàn)，以 盡量減少有e mi和零漂引起的問題; 有利于電力電子的 集成，降低成本，簡化硬件開發(fā)。 1 . 2 3 數(shù)字控制與 傳統(tǒng)控制的比 較及發(fā)展前景 電 力電子變流器的 控制是電力電 子電 路的重要部分。 按控制手段來分， 電 力 電子變流器的控制可分為模擬控制和數(shù)字控制兩大方面。 典型的逆變器模擬控制 策略包括電 壓瞬時值單閉 環(huán)反饋控制、電壓電流瞬時值雙閉環(huán)s p w m反饋控制、 電壓電流瞬時值雙閉環(huán)滯環(huán)控制等等， 這些控制技術(shù)己經(jīng)比 較成熟， 而且得到廣 泛應(yīng)用。 隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的蓬勃發(fā)展， 逆變器的數(shù)字控制逐漸成為研究熱 點。目 前， 在數(shù)字控制逆變器中應(yīng)用較多的控制策略p id控制、 無差拍控制、 滑 模變結(jié)構(gòu)控制、狀態(tài)反饋控制、重復(fù)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制等。 傳統(tǒng)的模擬控制的主要缺點: 浙江大學(xué)碩 1 : 學(xué)位論文 第一章 . 因采用大量的分散元件和電路板，導(dǎo)致硬件成本偏高，系統(tǒng)的可靠性下 降。 . 新的控制方法導(dǎo)致控制電 路復(fù)雜， 用模擬器件難于實現(xiàn)。 . 由 于人工調(diào)試器件的存在.如可調(diào)電 位器.導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低及控制系 統(tǒng)的一致性差。 . 器件老化及熱漂移問題的存在，導(dǎo)致逆變電源輸出性能下降，甚至導(dǎo)致 輸出失敗。 . 產(chǎn)品升級換代困 難，對同 一型號的 模擬控制逆變電 源， 若不改動硬件， 升級是不可能的，每一個新型的逆變電源都要求重新設(shè)計、制造控制系 統(tǒng)。 與模擬控制相比，數(shù)字控制具有以下主要優(yōu)點: . 易于采用先進的控制方法和控制策略，使得電力電子系統(tǒng)具備更高的智 能化程度和更優(yōu)越的性能。 . 控制靈活，系統(tǒng)升級方便，甚至可以在線修改算法而不必改變硬件電路 的結(jié)構(gòu)。 . 控制系統(tǒng)易于實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，可以針對不同的主電路系統(tǒng)采用統(tǒng) 一的控制板， 只要對相應(yīng)的算法和軟件結(jié)構(gòu)做出相應(yīng)修改即可。 . 系統(tǒng)維護方便，一旦出現(xiàn)故障可以方便的通過通信接口調(diào)試，進行故障 查詢，歷史記錄查詢，故障診斷、軟件修復(fù)和控制參數(shù)的在線修改調(diào)試。 . 系統(tǒng)的一致性好， 成本低，生產(chǎn)制造方便。由于采用的控制軟件不像模 擬器件那樣存在差異， 所以 一致性很好， 而且控制板的體積將大大減小， 生產(chǎn)成本會大幅度降低。 數(shù)字控制技術(shù)己 經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)的各個領(lǐng)域，滿足了電力電子 電路高頻化和復(fù)雜化發(fā)展的需要， 在提高系統(tǒng)效率、 改善系統(tǒng)性能等方面發(fā)揮越 來越重要的作用。 1 3 可編程邏輯器件的 發(fā)展與 在電力電 子技術(shù)中的 應(yīng)用 隨著微電子設(shè)計技術(shù)與工藝的發(fā)展， 數(shù)字集成電路從電 子管、晶體管、中小 規(guī)模集成電路、超大規(guī)模集成電路 ( v l sic )逐步發(fā)展到今天的專用集成電路 ( aslc) 22， 。 aslc 的 出 現(xiàn)降 低了 產(chǎn)品 的 生 產(chǎn) 成本， 提高了 系 統(tǒng)的 可靠 性， 縮小 浙江人學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章 了設(shè)計的物理尺寸，推動了社會的數(shù)字化進程。但是a sic因其設(shè)計周期長，改 版投資大， 靈活性差等缺陷制約著它的應(yīng)用范圍。 硬件工程師希望有一種更靈活 的設(shè)計方法， 根據(jù)需要， 在實驗室就能設(shè)計， 更改大規(guī)模數(shù)字邏輯， 研制自己的 a sic 并馬上投入使用， 這是提出可編程邏輯器件的 基本思想. 廣義上講，可編程邏輯器件是指一切通過軟件手段更改、配置器件內(nèi)部連 接結(jié)構(gòu)和邏輯單元， 完成既定設(shè)計功能的數(shù)字集成電路。目前常用的可編程邏輯 器件主要有簡單的邏輯陣列 ( p a l / g a l)、 復(fù)雜可編程邏輯器件 (cp ld) 和現(xiàn)場可 編程邏輯陣 列 ( f p g a ) 等3 大 類閣。 以l 是p r o g r 姍a b l e a r r a y l o g l c的 縮 寫， 即 可 編 程陣 列 邏輯， ， ; g a l 是 g e n e rica r r a yl o g ic的 縮寫，即通用可編程陣列邏輯。 隊l / g al是早期可編程 邏輯器件的發(fā)展形式，其特點是大多基于 e 弋 m os 工藝，結(jié)構(gòu)較為簡單，可編程 邏輯單元多為與、 或陣列， 可編程單元密度較低， 僅能適用于某些簡單的數(shù)字邏 輯電路。 c p l o 是c o m p l e x p r o g r a 朋a b l e l o g i c d e v i c e 的縮寫，即復(fù)雜的可編程邏輯 器件。a l t e r a為t突出特性，曾將自己的 c p l d器件稱為 e p l d ( e n h a n c e d p r o g r a nuna b l el o g i 。d e v i c e ) ， 即增強型可編程邏輯器件。其實e p l d 和c p l d 屬 于同等性質(zhì)的邏輯器件， 目前a l t e r a 為了遵循稱呼習(xí)慣， 己經(jīng)將其e p ld統(tǒng)稱為 cpld。 cpld是在p al、 gal 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的， 一般也采用e z c m os工藝， 也有 少數(shù)廠商采用flash 工藝， 其基本結(jié)構(gòu)由可編程 1/0 單元、 基本邏輯單元、 布線 池和其他輔助功能模塊構(gòu)成。 c p ld可實現(xiàn)的邏輯功能比p a l 、 gal 有了大幅度的 提升， 一般可以完成設(shè)計中較復(fù)雜、 較高速度的邏輯功能， 如接口 轉(zhuǎn)換、 總線控 制等. c p l d 的主要器件供應(yīng)商有a l t e r a 、 l a t t i c e 和x i l i n x 等。 f p g a 是f l l e d p r o g r anuna b l e g a t e a r r a y的 縮寫， 即 現(xiàn) 場可 編程 邏輯陣 列。 f p g a是在 c p l d的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型高性能可編程邏輯器件，它一般采用 sram工藝，也有一些專用器件采用f l a s h 工藝或反熔絲 (an t i 一 f u s e) 工藝等。 f p ga 的 集成度很高， 其器件密度從數(shù)萬系統(tǒng)門到數(shù)千萬系統(tǒng)門 不等，可以 完成 極其復(fù)雜的時序與組合邏輯電路功能， 適用于高速、 高密度的高端數(shù)字邏輯電路 設(shè) 計 領(lǐng) 域。 f p g a 的 主 要 器 件供 應(yīng)商 有x i l i n x 、 a l t e r a 、 l a t t i c e 、 a c t e l 和a t m e l 等。 浙江人學(xué)碩十學(xué)位論文 第一章 1 .4 本課題的 研究內(nèi) 容和意義 本課題的研究應(yīng)用于大功率風(fēng)力發(fā)電， 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)己經(jīng)成為世界各地競相 研究的熱點。 本文運用數(shù)字技術(shù)來實現(xiàn)大功率風(fēng)力發(fā)電變流器的控制。 先從電力 電子變流器的控制入手， 探討了風(fēng)力發(fā)電變流器的控制原理和調(diào)制技術(shù); 設(shè)計采 用兩片t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 組成雙d s p 模塊，并利用f p g a來進行多路 p wm通道擴展，組成一個高速、高性能和有較好通用性的數(shù)字控制系統(tǒng)。 最后 在這個數(shù)字控制系統(tǒng)上完成了f p g a實現(xiàn)載波移相的軟件編程和硬件實現(xiàn)部分， 并進行仿真和實驗驗證。 本文的主要內(nèi)容包括以下幾個方面: 第一章介紹了風(fēng)力發(fā)電的背景， 電 力電 子數(shù)字控制技術(shù)的 研究現(xiàn)狀和可編程 邏輯器件的應(yīng)用。 第二章根據(jù)項目的主要承擔(dān)工作， 介紹了風(fēng)力發(fā)電主要技術(shù)并從原理到仿真 分析了變流器控制技術(shù)和調(diào)制技術(shù)。 第三章主要是對雙d s p + f p g a組成的 數(shù)字控制系統(tǒng)的硬件電 路設(shè)計，并根 據(jù)高速信號電路p c b設(shè)計的原則進行核心數(shù)字控制器的p c b設(shè)計。 第四章主要介紹了f p g a的特征、 結(jié)構(gòu)和設(shè)計流程， 并介紹了設(shè)計中用到的 主流低成本的c y c l o n e 系列f p g a 。 還簡 要介紹了 設(shè) 計中要用到的q u a rt u s i i 綜 合開發(fā)平臺， 和硬件描述 語言v e r i l o g h d l 語言。 重點介紹了p w m波形發(fā)生器 的原理， 用原理圖結(jié)合硬件描述語言的方式進行p wm信號發(fā)生電 路的設(shè)計， 并 進一步實現(xiàn)載波移相功能。 第五章是在第四章基礎(chǔ)上的f p g a實現(xiàn)功能仿真和時序仿真， 最后在核心雙 d s p 十 f p g a板上進行實驗驗證。 第六章是總結(jié)和展望。 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文第二章 第二章 大功率風(fēng)力發(fā)電變流器的控制研究 2 . 1 風(fēng)力發(fā)電主要技術(shù)介紹 發(fā)電機及其控制系統(tǒng)是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的一大核心部分， 它負責(zé)將機械能轉(zhuǎn)換 為電能， 風(fēng)力發(fā)電機及其控制系統(tǒng)的運行狀況和控制技術(shù)， 也決定著整個系統(tǒng)的 性能、 效率和輸出電能質(zhì)量。 根據(jù)發(fā)電 機的 運行特征和控制技術(shù)， 風(fēng)力發(fā)電 技術(shù) 可分為恒速恒頻( c o n s t a n t s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y ，簡稱c s c f ) 風(fēng)力發(fā)電 技術(shù)變速恒頻( v a r i a b l e s p e e d c o n s t a n t f r e q u e n c y ，簡稱v s c f ) 風(fēng)力發(fā)電 技 術(shù)(4 ) 2 . 1 . 1 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù) 恒速運行的風(fēng)力機轉(zhuǎn)速不變， 而風(fēng)速經(jīng)常變化， 使風(fēng)力機常常運行于低效狀 態(tài)。 恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)中， 多 采用籠型異步電 機作為并網(wǎng) 運行的發(fā)電 機， 并網(wǎng)后 在電機機械特性曲線的穩(wěn)定區(qū)內(nèi)運行， 異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速。 當(dāng) 風(fēng)力機傳給發(fā)電機的機械功率隨風(fēng)速而增加時， 發(fā)電機的輸出功率及其反轉(zhuǎn)矩也 相應(yīng)增大。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度高于同步轉(zhuǎn)速 3 % - 5 % 時達到最大值，若超過這個轉(zhuǎn)速， 異步發(fā)電 機進入不穩(wěn)定區(qū)，產(chǎn)生的反轉(zhuǎn)矩減小，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速迅速升高，引起飛車， 這是十分危險的。 2 . 1 .2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電 技術(shù) 雖然目前大多數(shù)采用異步發(fā)電機的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)屬于恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)， 但 作為一種新型發(fā)電技術(shù)， 變速恒頻發(fā)電是一種新型的發(fā)電技術(shù)， 非常適用于風(fēng)力、 水力等綠色能源開發(fā)領(lǐng)域， 尤其是在風(fēng)力發(fā)電方面， 變速恒頻體現(xiàn)出了 顯著的優(yōu) 越性和廣闊的應(yīng)用前景。 ( 1 ) 風(fēng)能是一種具有隨機性、 爆發(fā)性、 不穩(wěn)定性特征的能源。 采用變速恒頻發(fā) 電方式， 就可按照捕獲最大風(fēng)能的要求， 在風(fēng)速變化的情況下實時地調(diào)節(jié)風(fēng)力機 轉(zhuǎn)速， 使之始終運行在最佳轉(zhuǎn)速上， 從而提高了機組發(fā)電效率， 優(yōu)化了 風(fēng)力機的 運行條件。 ( 2 ) 變速恒頻發(fā)電可以在異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子側(cè)施加三相低頻電流實現(xiàn)交流勵 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 磁， 控制勵磁電流的幅值、頻率、 相位實現(xiàn)輸出電能的恒頻恒壓。同時采用矢量 變換控制技術(shù)，實現(xiàn)發(fā)電 機輸出有功功率、 無功功率解禍控制。 控制有功功率可 調(diào)節(jié)風(fēng)力發(fā)電 機組轉(zhuǎn)速， 實現(xiàn)最大風(fēng)能捕獲的追蹤控制; 調(diào)節(jié)無功功率可調(diào)節(jié)電 網(wǎng)功率因數(shù)，提高風(fēng)力發(fā)電機組及電力系統(tǒng)運行的動、靜態(tài)穩(wěn)定性。 ( 3)采用變速恒頻發(fā)電 技術(shù)， 可使發(fā)電 機組與電網(wǎng)系統(tǒng)之間實現(xiàn)良 好的柔性連 接， 比傳統(tǒng)的恒速恒頻發(fā)電系統(tǒng)更易實現(xiàn)并網(wǎng)操作及運行變速恒頻發(fā)電技術(shù)的諸 多優(yōu)點使其受到了人們的 廣泛關(guān)注，它越來越多地被應(yīng)用到風(fēng)力發(fā)電中。 2 .2 風(fēng)力 發(fā)電 變流器的 控制原理研究 2 :2永磁同步電 機的數(shù)學(xué)模型 永磁材料的發(fā)展促進了永磁電機的實用化， 以其低損耗高功率因數(shù)等優(yōu)點得 到了廣泛應(yīng)用， 永磁同步電機與繞線同步電機類似， 但勵磁繞組用永磁材料代替， 在大功率風(fēng)力發(fā)電中永磁同步發(fā)電 機一般采用隱極式磁極結(jié)構(gòu)15 。 下面從繞線永 磁同步電機推出本文所研究的隱極永磁同步電機的模型， 為了簡化電機的分析對 永磁發(fā)電機所建模型進行了如下假設(shè): 忽略發(fā)電 機磁路飽和 忽略發(fā)電機的齒槽效應(yīng) 忽略磁滯和渦流損耗 三相對稱系統(tǒng) 基于以 上假設(shè)得出 隱 極同 步電 機的 數(shù)學(xué) 模型5 : : = 、 + 爭 、 = 、 、 十 爭 、 = 、 、 十 爭 ( 2 。 1 ) 其中 甲 。 = 幾ia + 氣枯 十 氣ic + 綺t， 甲 * = 氣ia + 氣幾 十 氣ic + 綺弓 甲 。 = zcaia + lca耘 + 氣ic 十 今弓 ( 2 一 2 ) 對隱 極電 機而言， 對 于各 相磁 路其 氣隙 尺寸與 轉(zhuǎn) 子 位置 角氏無關(guān)，即 定子 浙江人學(xué)碩 十 學(xué)位論文第二章 自感為常數(shù): 氣= 氣= 乓= 氣。 十 幾 ，( 2- 3) 式中，幾。 是由 空間 基 波 氣隙 磁 通引 起的自 感 分 量，la : 是由電 樞繞組 漏 磁引 起 的附加分量。 三相對稱 相位相差12 00電 角 度5 ，因 此電 樞繞組間的 互感相等且表示為: lo 一 、 = 、 = 、 = 、 = 、 = 一 告 、 。 ( 2 一) 式 ( 2 一 2) 的磁鏈方程簡化為: 甲 。 = ls ia + 甲 ，( 0) 甲 ， = l. 幾 十 甲 f ( 的 甲 。 = 幾 ic 十 甲 ，( 6) ( 2 5 ) 其中 3， 氣二 百 、。 + 與 ( 2 一 6 ) 由前面的分析可得電機端電壓方程 : 一 、 、 + 、 令 、 = ; 、 + 、 令 + 份 + 氣 ( 2 一 7 ) _ di- 認 =找 毛十兒、 一十e 耐 一dt， 寫成向量形式如下式 u= ira + 戶 伙 幾 + eo 。一_ ，_ _ _3_ 其 中x. = 戈 + 弋= 氣 虧 蝙十 叭 = 叭 幾 叭= p 然 ( p 是電 機極 對 數(shù)，件是電 機轉(zhuǎn) 速) ( 2 一 8 ) 1leseseseseseses去甲 u 弋凡 戶 廠 丫、入勺 一i 么甲lesesesesesesesl e 圖2 . 1同步電機等效電路 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文第二章 由上式得隱極同步電機其中一相的等效電路如圖2 . 1 所示。 因為l s 可以看作是常值，所以弋 可以看作隨叭線性變化，其中 e o 二 w , t 聲( b ) . e o 是 正 弦 電 壓 ， t f 轉(zhuǎn) 子 磁 鏈 是 常 值， k ( b ) = s in b e . 2 . 2 .2 永 磁同步電 機的 單位功率因 數(shù)控制 雙p wm永磁直驅(qū)2 風(fēng)力發(fā)電 系統(tǒng)的原理如圖2 .2 所示。 圖2 .2雙p wm永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng) 圖中主控系統(tǒng)評估發(fā)電機的輸出功率，把功率指令傳給機側(cè)變流器進行整 流， 網(wǎng)側(cè)變流器維持直流母線電壓平衡并把直流電變成與電網(wǎng)同頻同相的交流電 輸入電網(wǎng)， 當(dāng)發(fā)電機輸出功率增加時直流母線電壓升高， 網(wǎng)側(cè)變流器增加向電網(wǎng) 饋送的功率以維持直流母線電壓平衡。 在大功率風(fēng)力發(fā)電中 為了降 低變流器的容量經(jīng)常采用單位功率因數(shù)控制， 即 電機的端電壓和輸出電流同相。 因為主控系統(tǒng)給定的是功率指令， 如果把電機看 成一個理想的電 壓源， 簡單的以電 機端電 壓定向由p = v i 進行變流器單位功率因 數(shù)控制是很容易實現(xiàn)的， 也不會存在問 題， 但電 機電 樞有內(nèi)阻抗， 而且轉(zhuǎn)速可變， 當(dāng)功率指令給定時， 電流和電 壓的大小只通過這個方程是無法確定的， 當(dāng)電流i 變 大v 就會變小， 此時有可能發(fā)生i 不斷變大，v 不斷變小，那么i 的大小會超過電 機定子極限值導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，圖2 .4 控制框圖描述了這種控制方法。為此本文 提出了圖2 . 5 所示的控制方法， 增加約束方程的方法確定電 機端電壓。 下面進行 具 體 分 析 2 526 由方程 ( 2 - 8 )得出電機模型各量的向量關(guān)系如下圖2 .3 所示: 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 圖2. 3同步電機向 t關(guān)系 圖中尹 是負 載功 率因 數(shù) 角， 丸內(nèi) 功率因 數(shù)角， 占 激磁電 勢和端電 壓夾角， 從向 量 圖 可以 看出 因為激磁電 勢eo在轉(zhuǎn)速己 知的 情況下是已 知的， 要求得電 機端電 壓 需要先求出殘，由 上面的向量關(guān)系利用三角關(guān)系式推得下式 汽= tg 一 ， u s i n 儼 + 擠布 u c o s 尹 + ir4 ( 2 一 9 ) 因此激磁電勢和端電壓間的夾角是 占 = 汽一 少 ( 2 一 1 0 ) 由三角函數(shù)的余弦定理關(guān)系式不難求得 毋= eo ， + u ， 一 z eo u co s 占 ( 2 一 1 1 ) 其中碑= ( ira) ， + ( 瓏) ， 由式 (2一 1 1) 求得u，三相系統(tǒng)功率: 尸 = va ia + 咋 幾 + vc ic ( 2 一 1 2 ) ， 。二 . ， p_ 。 。 _ 二 _， ， _ . * 二， 二. 1 . ，_ _ ， ， 一 ， ， 。 ，. 。 二1 二，二 _ 得畢相 二=vl即pj妮足1 ，此盯示玩陰程制重足嫻正四，系玩得到穩(wěn)足，悅制萬 j 框圖如圖2. 5 所示。 浙江大學(xué)碩 卜 學(xué)位論文第二章 vs ivs i 圖2 .4發(fā)電 機等效成電 壓源變流器控制方式 由上面三個方程即可確定系統(tǒng)的端電壓從而使系統(tǒng)得以穩(wěn)定， 系統(tǒng)控制框圖 如下圖所示。 圖2 . 5改進的發(fā)電機側(cè)變流器控制框圖 2 . 2 .3 仿真分析 在開發(fā)設(shè)計雙 p wm大功率永磁直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電變流器中基于上面提出 的思想做了 仿真驗證。 永磁發(fā)電 機額定功率 2 m w， 額定電 壓 6 9 0 v ，額定電 流 1 7 0 0 a ， 變流器功率3 m w，電 機轉(zhuǎn)速8 - 1 8 h z 。 圖2 . 6 、 圖2 .7 是把電 機看成一個 電壓源條件下得出的。圖2 .6 是電機端電壓和輸出電流，圖2 .7 是電機端電壓有 效值。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 由圖2 .6 2 .7可見: 在功率給定情況下， 電 機端電 壓不斷降 低，電 流不斷增 大，超過了電機電樞最大電流，系統(tǒng)呈現(xiàn)不穩(wěn)定。 一 么 _ 住 抽出電流 電帆.出洲電壓 一|ili 一 j十ijes 1了，r. 價 |月 拍1. 片曰一曰 璐留田.即 人戶-一 1卜人 一l 吉- 眾日口月認7 時間 t 衍 . . 閣 圖2. 6電機端電壓和輸出電流 了、 了 、 卜 上 !ee味川1: 、 網(wǎng)柳 于今 匕 國 半 廠 廠 扮、 了 一 少 又廠 幾 了 斗 - - - - - 一 柳幼 (，坷里日鉀習(xí). 二 團 ， 口 0 0氏， 壓2眾3o 0 . 5 氏日 眾7 時間t( . ) 圖2. 7 電 機輸出 端電 壓變化 圖2. 8 和圖2. 9 是改進后的仿真結(jié)果， 仿真時，電 機輸出 功率從500 k w變 到z m w再到7 0 0 k w， 端電 壓從4 0 0 v變到7 0 0 v再變到5 5 0 v ，圖2 . 8 顯示電 機 端電壓和輸出電流，圖2. 9 是電機端電壓的變化曲線. l 3 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 布下 干 ， 柳 一:一一 ( 一比一 l00 0一一一，-一， 十 一 一 價 一 _ _ 日川少. 川、ral-t-”兒、 詳陰生從曰劃川抖 11j誦1山1 八 八料門目 劃鉑日 1卜門口 ，咖 盯 除廠可 憶. “ 叭 一 方 一 馬 勺- _ 飛 _ ) _ _了 _ _ 布片葉川四均? 認卜幾后曰11 一 ，己十 j引弓日，!上1 碗 氣 了 抖 川1下衛(wèi)j仁. 創(chuàng) 卜呈瞼適廠.“雌汗門j川 1只 d哺嘴j，。司刀牛.lr.1 口 卜l ;獷士一腳一加 一 、 t卜1日 一 份 - 1峨叭州lllr，川 曰洲以 丫!可卜日匕 阱日汀份牛 甲2000 一 人工 1- 一 2 6 00 端o 月0.8 0 01 圖2. 8 電 機端電 壓和輸出電 流 萬 廠 止 / 一丫 木一 甲 卡 ，廣 、 注 一j 行 于 幾- 一 、 產(chǎn)、 的00 ，口00 1|1|州 500，00翔 )紹里 2 0 0 1 0 0 % i 。 . 10 20 . 3o40 一 8o 啟0 . 7 0 . 80 .91 時間 ( . ) 圖2. 9 電 機輸出 端電 壓變化 圖2. 8 2. 9 可以 看出: 采用新的控制方法系統(tǒng)得到了 穩(wěn)定運行。 說明所采用 方法的可行性。 在設(shè)計大功率雙 p w 入 】 永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電變流器中發(fā)現(xiàn)電 機輸出端電 壓單 位功率因數(shù)控制的問題， 并提出穩(wěn)定的解決方案， 在仿真分析中檢驗了該方法的 l 4 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 可行性， 對解決此類問題提供一定的參考， 正在應(yīng)用于一個在建的 現(xiàn)場試驗裝置 之中。 2 .3 風(fēng)力發(fā)電變流器的脈寬調(diào)制 ( p wm)控制技術(shù) 2 3 . 1 p wm技術(shù)簡介 p wm脈寬調(diào)制是利用相當(dāng)于基波分量的信號波對三角載波進行調(diào)制。 這里 相當(dāng)于基波分量的信號波并不一定是指正弦波， 可以是預(yù)畸變的信號波。 目前的 p wm 的實現(xiàn)方式主要有 s p wm、準(zhǔn)優(yōu)化 p wm、開關(guān)損耗最小 p wm、電壓空 p 0 i 矢量s v p wm等。 2 3 .2 s p wm技術(shù) s p wm 波形的生成有許多方法， 例如等效面積法、自 然采樣法、規(guī)則采樣 法等等。自然采樣 s p wm法采用正弦波作為調(diào)制波，以等腰三角波作為載波， 利用比較法以正弦波和三角波瞬時值相等的時刻即兩個波形交點作為跳變時刻， 獲得經(jīng)調(diào)制的幅值相等、 面積按正弦規(guī)律變化的矩形脈沖信號。 中值規(guī)則采樣法 的基本思想是， 將三角載波周期的中點( 三角波的正峰值或負峰值) 時刻對正弦 采樣形成階梯波來代替正弦波。自 然采樣 s p wm法雖然能確切反映正弦脈寬調(diào) 制的原始方法， 但其開關(guān)時刻求取困難， 不適合微機實時控制， 而中值規(guī)則采樣 法偏離自 然采樣法較小， 脈寬的計算方法簡單， 用計算機實現(xiàn)比 較方便， 運算量 小，實時 性好，是人們常用的一種s p w m方法。 2 . 3 . 2 . 1 自 然采樣法 將正弦波調(diào)制信號與三角波載波相比 較， 由兩者的交點決定逆變器開關(guān)狀態(tài) 的方法。 以 一 相p w m調(diào) 制 為 例， 調(diào) 制 波 為 正 弦 波， 其 方 程為u m ( ro t ) = 呱s i n ra t 。 載 波 為 三角 波uc， 其幅 度為認， 周 期 為不= 2 t . 由圖2 . 1 0 可推得: t ,( 2 - 1 3 ) _ t 十 。 2 二 l , b 2 ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 浙江大學(xué)碩_ f: 學(xué)位論文第二章 幾= 玉 _ b 2 ( 2 一 1 6 ) 七 圖21 0 利用三角形相似關(guān)系，解出a 、 自 然采樣方法 b ， 一 警 ma s “ ( 2 一 1 7 ) b=兀 戶 刀 2 s l n 口 tb( 2 一 1 8 ) 天 壓認而 其中調(diào)幅比九= 4 田 二l 。 _ _ 關(guān) 甘 ， 粼 卜 ，iif=下 二 j 1 代入上式 1 tc tl=警 ( 1 一 、 夸 (+ 、 警 (，+ m 。 s l n (2一 1 9 ) (2 一 2 0 ) 呱呱疇 s i n t z = s i n ( 2 一 2 1 ) l 6 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 t , = 這樣脈沖寬度為 互 ( 1 一 m - s in w t . ) 2 、“” ( 2 - 2 2 ) 才k s in co r a + s m w t , ) ( 2 - 2 3 ) + 爭 t 2 = t 2 十 t 2 = 這是個超越方程，不適合實時計算，所以就發(fā)展了規(guī)則采樣法。 規(guī)則采樣: 經(jīng)過采樣的正弦波 ( 階梯波) 與三角波相交， 決定開關(guān)時刻的方 法。階梯波為在三角載波的峰點或谷點的時刻采樣正弦波調(diào)制信號而形成的波 形。 規(guī)則采樣方法又分為:對稱規(guī)則采樣和不對稱規(guī)則采樣。 2 . 3 .2 .2對稱規(guī)則采樣 階梯波:在三角載波的峰值 ( 谷點)的時刻采樣正弦波調(diào)制信號而形成的 波形。 采樣周期t= ta 圖2 . 1 1 谷點采樣的對稱規(guī)則采樣方法 t , = t 3 =t 一 。 4 t 十 。 4 ( 2 - 2 4 ) t 2 = t 2 二 求 a . ( 2 - 2 5 ) 根據(jù)三角形相似關(guān)系 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文第二章 不 “ = 用 月 4 s i n 以( 2 - 2 6 ) 代入上式，得: t 2 = t 2 + t 2 =子( 1+ m . s i n 叭)( 2 - 2 7 ) t i =t 3 =( 1一 m . s i n 叫) ( 2 - 2 8 ) 其中t , 為 采 樣的 時 刻。 脈沖寬度為: t 2 = t 2 + t 2 =警 ( 1 + m o sin w t) ( 2 - 2 9 ) 圖2 . 1 2峰點采樣的對稱規(guī)則采樣方法 這種采樣方法， 脈沖中 心均勻間隔， 間隔時間為t , 。 脈沖寬度與采樣點t 的 正 弦 波 的 瞬 時 值 成 正 比 。 只 要 知 道 采 樣 時 刻 t, , 就 可 以 求 出 脈 沖 寬 度 t p 的 值 。 2 .3 .2 .3不對稱規(guī)則采樣法 。 .二、 、一 _ 、二* 。、二、 _ ， 。. 一 ， 、_ 、 、二， 、， 、 ，_t _ n j r 70 v a:仕 二 二 用數(shù) 陰嶸沮 和 合 點羽 術(shù)件 j r _ 5 么 欲 ，術(shù) 件 周 朋 刀 1 : =子 。 2 在三角波峰點采樣時，可知 = t ( 2 - 3 0 ) 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 t 2 = 在三角波的谷點時，可知 t + a 2 ( 2 - 3 1 ) 一 t 十 b 2 t _ =一 二一b 2 ( 2 - 3 2 ) ( 2 - 3 3 ) 利用三角相似的關(guān)系， 解出a , b ，代入上式 。 = 夸 (1一 m . 一 警 (i+ m a s i n 叭)( 2 - 3 4 ) s i n m t ) ， t 2 = t . ， ， 一( i + m_ 2 s i n 叭+ . ) ，( 2 - 3 5 ) t 2 = t 2 + t 2 = t , l + 寸k s in w t, + s in u u w h ( 2 - 3 6 ) 石=子( 1一 m , s i n 叫+ )( 2 - 3 乃 其 中 。 = : ， ， t,+, 二 : (，+ 合 ) ， ， 二 。 ,1, 2 , 3 . 圖2 . 1 3不對稱規(guī)則采樣法 t , 和t,+ : 與m a 無 關(guān)， 由 t , 和t,+ ， 就 可以 求出 t i , t 2 和t 3 。 因 為 不 對 稱 規(guī) 則 采 樣 階 梯波比對稱規(guī)則采樣階梯波更接近于正弦波， 所以高次諧波分量的幅值較小; 當(dāng) 載 波比 價= 3 k時 ， 逆 變 器 不 存 在 偶 次 諧 波 。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章 2 3 3 栽波移相調(diào)制 2 .3 . 3 . 1載波移相調(diào)制原理 三角載波移相p w m， 每個模塊的s p w m信號都是由一個三角載波和一個正 弦 波比 較產(chǎn)生， 所有模塊的正弦波都相同， 但每個模塊的 三角載波與它相鄰模塊 的 三角載波之間有一個相移， 這一相移使得各模塊所產(chǎn)生的s p wm脈沖在相位 上錯開，從而使各模塊最終盛加輸出的s p w m波的等效開關(guān)頻率提高，因此可 在不提高開關(guān)頻率的條件下減小輸出諧波。 n單元并聯(lián)的 逆變器對于同 一相并聯(lián)的功率單元， 參考波相同， 兩個相鄰的功率 單元載波之間的相位差為 b = 2 x l n ( 2 - 3 8 ) 則n單元并聯(lián)逆變器相應(yīng)的輸出s p w m波的等效載波頻率為 幾= 2 n f ( 2 - 3 9 ) 這樣模塊并聯(lián)不僅有效的增大了 變流器的容量， 并且成倍的提高了 變流器的開關(guān) 頻率， 大大減小了濾波器的尺寸. 因此是一種大功率變流器設(shè)計的有效解決方案。 圖2 . 1 4 是四 個單元并聯(lián)模塊載波移相p wm調(diào)制的 波形圖。 人八.曰1粉 /廣叮、 價川價 八 以朋7 0如7 5 0 . 4 翻 一滿 l! 廠日日日仲 11姍 曰川曰一一川川!娜 耳川川曰側(cè)拐 卜.!川一l卜!娜 一訓(xùn). 牢仁朔淚.姍 圖2 . 1 4載波移相的 基本原理 圖中可以清楚看出等效開關(guān)頻率是單個模塊的四倍。 2 .3 .3 .2均流特性 圖2 . 1 5 是采用3 k 開關(guān)頻率導(dǎo)通壓降相差0 . 5 v 時各個模塊的均流效果仿真 波形。 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘二案 明. 圖2 . 巧 均流效果仿真圖 圖2 . 15上方幾 是總電 流， 下方ia、幾 、ic 是 各模塊電 流。 從仿 真結(jié)果可以 看出， 各個模塊電 流雖稍有不均， 但2 00a只有1 2 a的 差別， 在容許的范圍內(nèi). 2 3 盤 3諧波特性 下面深入對其電 流波形和頻譜特性進行分析.仿真條件:并聯(lián)橋肴數(shù)n = 3 ， 開 關(guān) 頻率關(guān)= 3 k 階， 串 聯(lián)電 感l(wèi) 二 0. s m h， 直 流母 線電 壓u * = 1 2 00 v ， 基 波 頻 f ， q “ . n c y 州幻 圖2 ， 16 并聯(lián)電流波形頻譜和單個模塊電流波形頻譜 率f= s o hz 。 在圖2 . 16中 上方為并聯(lián)模塊電 流波形頻譜， 下方為單個模塊輸出 浙江大學(xué)碩 上 學(xué)位論文 第二章 的電流波形頻譜。 可以 看到橋臂電流的開關(guān)紋波分量集中在3 , 6 . 9 k h z 等3 k h z 的整數(shù)倍處，而并聯(lián)電流不包含3 . 6 k h z 紋波，其諧波分量分布在9 , 1 8 k h z 等 9 k h z的整數(shù)倍處。所以，載波移相的確成倍提高了并聯(lián)電流的等效開關(guān)頻率。 通過以上分析，載波移相p wm變流器并聯(lián)技術(shù)具有以下優(yōu)點: 提高變流器的等效開關(guān)頻率，降低輸出濾波器尺寸。 單 個器件的 開關(guān) 頻率下降降 低了 系統(tǒng)的 散熱設(shè)計難 度。 系統(tǒng)的魯棒性大大提高。 并聯(lián)支路自 動均流，不需要復(fù)雜的均流控制，降低了系統(tǒng)的控制復(fù)雜性。 易于變流器的擴容。 基于以 上主要優(yōu)點， 通過2 m w低速永磁直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電 變流器設(shè)計仿真驗證， 載波移相p wm技術(shù)非常適合大功率高可靠性場合的應(yīng)用。 在變速恒頻風(fēng)力發(fā)電 單機容量不斷擴大的趨勢下， 有很廣闊的應(yīng)用前景。 另外此種變流器結(jié)構(gòu)同樣可 以擴展到其它的變流器應(yīng)用領(lǐng)域，有重要的工程應(yīng)用價值。 2 . 4本章小結(jié) 首先介紹了風(fēng)力發(fā)電技術(shù)， 分為恒速恒頻技術(shù)和變速恒頻技術(shù)， 現(xiàn)在大多數(shù) 使用的是變速恒頻技術(shù). 接著分析了永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型， 并在此基礎(chǔ)上提 出了一種改進的單位功率因數(shù)控制方法。 最后研究了p wm技術(shù)， 風(fēng)力發(fā)電變流 器采用的是載波移相的脈寬調(diào)制方法。 浙江大學(xué)碩_ l 學(xué)位論文 第三章 第三章 數(shù)字控制器的硬件電路設(shè)計 3 . 1 數(shù)字控制器的 硬件設(shè)計 功率變流器的控制系統(tǒng)采用通用的雙d s p 加f p g a擴展。通用的d s p 芯片 的優(yōu)點是可以進行復(fù)雜的控制算法、 運算速度快、 尋址方式靈活和通信性能強大。 但是傳統(tǒng)的d s p芯片的結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是串行的，對于需要處理的數(shù)據(jù)量大、處理 速度快， 但是運算結(jié)構(gòu)相對比較簡單的底層信號處理算法來說， 并沒有優(yōu)勢可言， 而這恰好是f p g a硬件的強項。采用d s p + f p g a的數(shù)字控制系統(tǒng)正好把兩者的 優(yōu)點結(jié)合到一起， 它有更快的處理速度和更優(yōu)的計算能力， 通用性、 模塊化、 擴 展性都能做的更好。 通用性和擴展性帶來的缺點是集成度相對下降， 整個控制器 的成本提高。 而且本控制器中的f p g a只用于實現(xiàn)接口電路， 完成多路p wm擴 展。 d s p 控制器模塊化擴展口 圖3 . 1 數(shù)字控制器的核心部分 如圖3 . 1 所示， 控制器核心部分主要由雙d s p 模塊、 f p g a擴展模塊、 外接 存儲器、 3 . 1 . 1 數(shù)模轉(zhuǎn)換接口、通信模塊、u o和p wm輸出等組成。 雙d s p 模塊 兩個d s p 中一個進行控制算法運算， 另一個進行故障檢測， d s p 之間通過c a n 浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文第三章 總線進行必要的通信。 因為機側(cè)和網(wǎng)側(cè)基本對稱， 所以機側(cè)和網(wǎng)側(cè)變流器的控制 器采用同一個結(jié)構(gòu)，可以簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計。 本設(shè)計中用兩塊 t ms3 2 o l f 2 812芯片作為核心處理器，t ms3 20l f 2 812是 tl 公司推出的一款高速、功能強大的 32 位定點 d sp 芯片。時鐘頻率最大可達到 巧 0 陽2 ， 8 k x 1 6位的片內(nèi)f l a s h存儲器， 速度和容量的提高， 使得在一個 d sp 芯片上實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法成為可能。每個 d sp 集成了兩個事件管理器，12 位 的a d c ， 16通道， 可以滿足電機變流器控制的需要。 配備有 3 個 32 位的c pu 定時 器， 總線結(jié)構(gòu)也有了 很大改進。 表3 . 1 分別對f 2 812 和f 2 4 07做性價比 較。 為滿 足多種功率變換拓撲結(jié)構(gòu)的需要， 例如多電 平， 矩陣變換器等， d sp器件具有的 12路p 姍通道顯然是不夠用的， 這就需要擴展p 姍通道數(shù)。 d sp的結(jié)構(gòu)配置如圖 3 . 2 所示。 c p u 位數(shù) f l a s hr a ma / ds p is c im c b s p1 / 0 t m s 3 2 0 l f 2 8 1 2 3 2 位 1 2 8 k1 8 k1 2 b i t 2 0 0 n s / 6 0 n s 3 7 . s m2 x 9 . 3 m7 5 m5 6 t m s 3 2 0 l 2 4 0 7 a 1 6 位 3 2 k2 k1 0 b i t 5 0 0 fls 1 0 ml x 2 . s m無4 4 表3 . i f 2 8 1 2 和f 2 4 0 7 的性價比 較 3. 1 .2 fpg a模塊 因為系統(tǒng)采用多模塊載波移相逆變器模塊并聯(lián)技術(shù)，所以 用到多路 工 /0 口 發(fā)生p 刪信號來驅(qū)動并聯(lián)模塊。 考慮到控制板的通用性， 而且d sp本身不能提供 足夠的1 /0 口， 所以需要擴展。 功能擴展采用現(xiàn)場可編程邏輯器件(fp ga) 實現(xiàn)。 本系統(tǒng)使用a ltera 公司的c y clone20 萬門的可編程邏輯器件作為p w m 的通道擴 展， 可以根據(jù)實際需要配置成上百路 p wm 輸出通道。 并且把兩個dsp 數(shù)據(jù)線地址 線連接到f p ga， 可以把f p ga作為協(xié)處理器來使用， fpga可以完成并行數(shù)據(jù)處理 運算， 實現(xiàn)復(fù)雜的 算法， 加強了系統(tǒng)的運算能力。 也可以 把fpga設(shè)置成雙口r am 實現(xiàn)兩個d sp 間的數(shù)據(jù)交換， 兩個d sp可以一個作為主處理芯片， 另一個作為從 處理芯片。 浙江大學(xué)碩上學(xué)位論文 第三章 蕎閏 劃:n 24-23 outout c 1 0 . lp f s l l v 習(xí)印 nd-沖1 g. 圖3 . 53 . 3 v 電 源轉(zhuǎn)換成1 . s