基于多微处理器的风力发电逆变器的研究

论文摘要

能源是整个世界发展和经济增长的最基本驱动力,是人类赖以生存的基础。在全球经济高速发展的今天,能源短缺与环境污染是人类面临的两大紧迫问题。在各类新能源中,风能是一种清洁的可再生能源,风力发电是风能利用的主要形式,由于其在减轻污染、解决偏远地区居民用电问题以及调整能源结构等诸多方面的突出作用,受到世界各国的重视,成为目前世界上新能源开发利用中最成熟、开发最具有规模和最具商业化发展前景的发电方式之一,并且在能源结构中发挥着越来越大的作用。然而,风力发电的关键部件逆变器的性能还需要进一步提高。为了能够适应风力发电快速发展的要求,本文从理论分析、硬件软件设计、系统仿真等方面对风力发电逆变电路进行分析研究,将多微处理器ARM+DSP+FPGA作为逆变器的控制系统。由于单一的处理器不能同时很好的完成高频率脉冲触发、控制算法的实现以及数据的采集等任务。本系统集成了ARM和DSP以及FPGA各自强大的功能,能够及时、快速、准确的完成控制的功能,使逆变器的性能、可扩展性和智能化水平得到了显著提高。本文首先介绍了风力发电的重要性以及在现阶段和将来发展的必要性,同时对风力发电逆变器的现状进行剖析,并且对风力发电逆变器的构造、部件进行分析研究。通过分析了风力发电逆变器的结构特点,以电压源逆变器为研究对象,分析了正弦波脉宽调制SPWM方法以及其在风力发电逆变器上的应用。通过算法仿真实验加以验证。接着分析了模糊PID控制算法的原理、性质与可行性,选择设计并建立了模糊PID控制器,利用模糊PID控制算法对输出电压以及触发脉冲进行调节,达到输出高质量电压的要求。最后对ARM、DSP和FPGA各种芯片进行深入的研究对比与分析,解决了各个高性能微处理器之间如何协调工作。设计了ARM、DSP和FPGA多微处理器的控制电路。在此基础上对软件程序进行了设计。本设计能发挥每个微处理器强大的功能。通过各微处理器达到最高性能来使整个控制电路达到最优配置,能够很好的完成控制功能,并在今后一段时间内保持优势。随着理论和实践的进一步发展,本技术将会在风力发电逆变器中发挥越来越大的作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 风力发电逆变器的研究现状
• 1.3 风力发电逆变器及其分类
• 1.4 本文所做工作
• 第2章 风力发电逆变器主电路设计及仿真
• 2.1 风力发电逆变器构造及器件
• 2.1.1 电力二极管
• 2.1.2 电力场效应晶体管
• 2.1.3 绝缘栅双极型晶体管
• 2.2 风力发电电压源逆变器及其正弦波脉宽调制
• 2.2.1 风力发电电压源型逆变器
• 2.2.2 风力发电电压型正弦波逆变器的基本原理
• 2.2.3 双极性SPWM理论
• 2.2.4 双极性SPWM谐波特性
• 2.3 风力发电电压型三相逆变电路
• 2.4 风力发电三相电压源SPWM逆变器仿真实验
• 2.5 本章小结
• 第3章 风力发电逆变器模糊PID控制算法的设计及其仿真
• 3.1 风力发电逆变器中数字PID控制原理与应用技术
• 3.2 风力发电逆变器模糊控制系统
• 3.2.1 模糊集
• 3.2.2 隶属函数
• 3.2.3 模糊规则
• 3.2.4 模糊规则的信度
• 3.2.5 模糊推理
• 3.2.6 模糊系统的结构
• 3.3 风力发电逆变器模糊控制器的设计
• 3.3.1 模糊化
• 3.3.2 建立模糊推理规则
• 3.3.3 确定权与规则信度
• 3.3.4 选择适当的关系生成方法和推理合成算法
• 3.3.5 反模糊化
• 3.4 风力发电逆变器模糊PID控制器的建立及仿真
• 3.5 本章小结
• 第4章 风力发电逆变器控制电路硬件及软件程序设计
• 4.1 风力发电逆变器控制电路芯片选择及最小系统设计
• 4.1.1 ARM处理器
• 4.1.2 DSP芯片
• 4.1.3 FPGA芯片
• 4.2 风力发电逆变器控制系统总体硬件设计
• 4.3 风力发电逆变器控制系统软件设计
• 4.3.1 主程序流程图
• 4.3.2 DSP主程序及子程序设计
• 4.3.3 A/D采样程序流程图
• 4.3.4 SPWM脉冲程序流程图
• 4.4 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间所得成果