風電機組低電壓穿越測試系統人機接口設計與實現

姜建偉，易吉良，李軍軍，張松科，江元元，王剛毅

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

風電機組低電壓穿越測試系統人機接口設計與實現

姜建偉，易吉良，李軍軍，張松科，江元元，王剛毅

（湖南工業大學電氣與信息工程學院，湖南株洲412007）

隨著大型風力發電機組裝機容量的不斷增加，要求風電系統具有低電壓穿越能力。研制測試低電壓穿越能力的實物裝置成本高且耗時長。基于模塊化的建模思想，利用Matlab/simulink建立了風力發電低電壓穿越仿真模型，并利用Matlab提供的GUI設計了基于圖形用戶界面的風力發電機組低電壓穿越仿真測試系統，采用GUI和Simulink數據交換技術實現了參數設置、數據和波形實時顯示、故障分區和偏差計算等功能。結果表明，此測試系統操作方便，人機交互性強，可以得到可信度高的仿真數據和直觀的波形曲線，以及符合標準的測試報告，是一個低成本高參考價值的軟件測試平臺。

風力發電；低電壓穿越；測試系統；Matlab；GUI

0 引言

近年來，變頻恒速風力發電技術在兆瓦級風力發電機組上的應用已經非常普及。在該種發電機組實際運行中，當電網電壓跌落到一定數值時，如果不采取任何措施，風電機組會被電網切除。這種情況在風力發電占總容量比不高的電力系統還可以接受，但對主要由風力發電機組組成的電力系統就會造成電網電壓、頻率的崩潰，給工業生產帶來巨大的損失。所以，當電網發生故障或擾動引起電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間內，機組應能夠保證在一定時間內不脫網連續運行[1]。

通常低電壓穿越測試裝置核心部件包括電壓跌落發生裝置、控制保護系統和測量系統。設計風力發電機組LVRT（low voltage ride through）實物檢測裝置存在成本巨大、耗時較長、可擴展性差等缺點。如采用阻抗分壓形式的電壓跌落裝置存在電壓深度不可調節的缺點，當功率很大時，裝置體積和重量都很大；多抽頭變壓器形式的電壓跌落裝置在設計和工藝方面要復雜很多，而且在現場進行測試要求具有較強的抗干擾能力及較高的可靠性[2]。而采用仿真測試系統可以避免上述的許多客觀存在的問題，且成本低、時間短、可擴展性強，所以迫切需要建立風力發電LVRT仿真測試系統。

本文利用風力發電機組的數學模型，建立發電機組各子模塊仿真模型，并對各個子模塊進行封裝。在此基礎上，利用Matlab/GUI技術建立人機界面，實現在這個平臺上不同故障類型下風電機組低電壓穿越的性能測試并進行參數的匹配，為實物測試奠定了理論和技術基礎。

1 總體設計要求及內容

本仿真系統通過建立仿真模型和圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）實現了在不同功率范圍、不同故障類型和電壓跌落深度下的風電機組低電壓穿越能力的仿真，并對仿真結果進行分析，將實測數據與仿真數據進行對比，使得仿真結果與實際測試結果的符合性和相近性誤差符合設計要求。

機組仿真測試系統的設計內容主要包括仿真模型的搭建和人機界面的設計兩大部分，各部分的主要設計內容如圖1所示。

圖1 風電機組低電壓穿越測試系統組成框圖Fig.1The block diagram of wind turbines LVRT test system

仿真模型是采用Matlab/Simulink搭建實現的，鑒于本文主要工作是測試系統人機接口的設計與實現，故僅對仿真模型中的電壓跌落模塊、保護模塊作介紹，其他模塊可參考文獻[2]。

電壓跌落裝置模塊分別采用基于阻抗型式和基于多抽頭變壓器型式情況建立仿真模型[3]，主要實現電壓跌落故障模擬的功能，可模擬各類故障下不同深度的電壓跌落實驗，基于阻抗是通過在主電路中并聯或串聯電阻實現電壓跌落，而基于多抽頭變壓器是通過控制IGBT（insulated gate bipolar transistor）的導通與關斷來實現檔位的投入與切除，不同檔位代表不同程度的電壓跌落，分別可以實現20%, 35%, 50%, 75%, 90%, 100%共6檔的跌落。為防止誤動，每次檔位切換必須先關斷后導通原則進行。

保護裝置模塊是為了保證風電機組和電壓跌落裝置的安全，使得在系統發生故障時可靠動作，而在低電壓穿越測試時不會產生誤動作，同時還能避過機組啟動時的尖峰電流。該模塊主要有反時限過流保護、電流速斷保護、過壓/欠壓保護、過頻/低頻保護及差動保護等功能[4]。在低電壓穿越時，由于轉子電流會增大數倍，為確保流過轉子側的電流和直流母線電壓在安全范圍之內，采取了轉子Crowbar保護和直流側Crowbar保護電路，即在電流過大時，通過泄放電阻消耗轉子的過電流，達到保護轉子側變流器免受損壞的目的。

人機接口模塊主要由引導界面模塊、仿真主界面模塊和數據庫與報表模塊構成。在設計過程中使用了Visual Basic和Matlab兩種編程語言，利用ActiveX技術實現兩種編程語言所寫程序之間實時動態數據交換[5]。在仿真測試主界面中，首先在主要選項框中進行參數設定即工況設定（如機組類型、故障類型、跌落幅值等），然后通過在后臺調用不同的Simulink模塊進行仿真測試，對所采集的數據進行實時顯示、繪制波形并對其進行故障分區和偏差計算，最后以表格的形式生成測試報告，完成仿真測試。人機接口的設計與實現方法在第2章中詳述。

2 人機接口設計與實現

2.1 人機接口設計思路

為了使測試人員能更方便地使用系統，通過VB程序引導測試人員進入主界面。主界面是人機界面的核心，它是利用Matlab/GUI實現圖形界面，利用GUI和Simulink的數據交換技術實現數據采集、數據處理分析、數據存儲、數據回放、報表打印等功能。

2.2人機接口引導界面的實現

引導界面采用VB程序編寫，主要包括歡迎界面、登陸界面、Matlab控件加載進度條和結束界面。將編好的程序生成為可執行文件，當測試人員雙擊可執行文件后進入歡迎界面，停留2 s后即可進入登陸界面，輸入正確的用戶名和密碼，系統自動加載Matlab控件進入仿真主界面。

Matlab沒有直接提供與VB的接口，要實現兩者混合編程必須另外編制接口程序。目前，主要使用以下接口技術：ActiveX技術，DDE（dynamic data exchange）動態數據交換技術，DLL（dynamic link library）動態鏈接庫技術和Matrix VB技術等。以上幾種接口編程技術各有優缺點，ActiveX技術和DDE技術使用簡單但運行不能脫離Matlab環境；Matrix VB技術運行效率較低，不適合實時運算；DLL技術運行速度最快，但掌握較困難[6]。

本系統選擇ActiveX技術進行混合編程，實現VB調用Matlab，首先在VB應用程序中創建ActiveX對象，具體代碼為：

在VB應用程序中創建了Matlab的ActiveX對象后就可以使用該對象的方法實現對Matlab的調用。Matlab.Application對象含有3個方法，分別是：Execute在Matlab中執行一條命令；GetFullMatrix從Matlab中讀取一個一維或二維數組的數據；PutFullMatrix向Matlab中寫入一個一維或二維數組的數據[7]。利用這些方法可以在VB應用程序中調用任何Matlab功能。

通過引導程序加載Matlab控件后，利用Execute命令執行用GUI編寫的人機接口界面的M文件進入主界面。

2.3 人機接口GUI圖形化主界面的實現

Matlab/GUI是用戶與計算機之間的交流工具，使操作更為人性化，更適合用戶的操作需求。Matlab將所有GUI支持的用戶控件都集成在這個環境中并提供界面外觀、屬性和行為響應方式的設置方法，而且具有強大的繪圖功能，可以輕松獲得高質量的曲線圖。

人機界面主要設計有仿真模型參數設置，動態波形和數據顯示，偏差計算值的報表生成等功能。整個界面具體操作如圖2所示。

圖2 人機界面操作流程圖Fig.2The operation flowchart of human-machine interface

1）設置參數。在界面上直接設置機組類型、故障類型、輸出功率狀態、電壓跌落幅值參數值、輸入跌落開始時刻、跌落持續時長、采樣步長、仿真總時長參數值，參數設置如果超出范圍，系統會自動彈出輸入錯誤提示框，當參數設置完成后點擊仿真按鈕進行仿真。

2）仿真。仿真是通過調用Simulink編寫的模型來進行，在仿真過程中，可以實時顯示網側和機側的仿真數據，并在主界面波形顯示區以動態曲線形式直觀反映各測量參數的變化過程。

3）波形故障分區。對仿真完成后的數據或者歷史數據進行分析，將數據波形圖分為3個時段：故障前、故障期間和故障后。在故障期間和故障后時段再劃分為暫態區間和穩態區間。

4）偏差計算。通過計算測試數據與仿真數據之間的偏差，考核模型參數設定和控制策略的準確程度。偏差計算的電氣量是有功功率、無功功率和無功電流。偏差計算的結果顯示在數據處理區的偏差計算值表格中。

5）報表打印。首先在Matlab用xlswrite()函數將仿真數據填入表格指定范圍，然后在VB編寫的程序中用shell()函數調用表格并將表格打開。

主界面制作包括界面設計和程序實現。具體操作步驟如圖3所示。

圖3 界面設計流程圖Fig.3The flowchart for interface design

在Matlab中創建新的GUI，在空白模板中添加3個panel組合框控件，在主要選項組合框中，添加12個static text控件，作為其他控件對象的標簽使用；4個pop-up menu控件，用來選擇不同的選項；4個edit text控件，用來輸入參數值；1個push button控件，用來進入高級選項中；在數據處理組合框中，添加4個push button控件，用來對采集的數據進行相應的分析處理；2個table控件用來實時顯示數據；在波形顯示組合框中，添加6個static text控件作為標簽使用；4個pop-up menu控件作為用來選擇需要顯示波形的參數選項；2個axes控件作為用來顯示波形圖形。在空白模板的左下角添加2個push button控件用來開始和停止仿真；1個axes控件用來顯示風機運行狀態的圖片。完成界面布局后需要通過界面設計編輯器、屬性檢查器、對象瀏覽器對每一個控件屬性進行設置，例如tag，string，visible，Enable，Position，Callback等屬性。最后總的界面布局效果如圖4所示。

對用戶界面的控件編寫回調函數是整個系統設計的核心部分，回調函數是當用戶觸發控件時所需執行的函數。原則上每一個控件都應有指定的回調函數，但對于靜態文本框基于標簽功能可以不指定回調函數[8]。

以繪制機側有功功率為例，在開始仿真按鈕的回調函數中用編程語言實現填寫參數測量表和繪制波形圖。填寫參數測量表的部分主要程序代碼如下。

3 仿真實例

基于上述分析設計所完成的仿真測試系統軟件，為了驗證其控制策略的有效性和可行性，選取較嚴酷的工況條件：直驅風力發電機組在3 s發生三相短路故障、電壓跌落幅值為35%、故障持續時間為920 ms，進行仿真驗證。

主要參數設置如圖5所示。參數設置完成后，點擊開始仿真按鈕進行仿真，仿真過程中界面左下方風機圖標跟隨風機轉速而轉動，為了跟蹤仿真進度，在風機圖標下方通過文本實時顯示仿真已完成的百分比，同時在界面右上方參數測量表格內實時顯示機側和網側的參數測量值，在界面右下方波形顯示窗口以動態波形方式顯示參數的變化過程。

圖5 主界面仿真圖Fig.5Simulation diagram of main interface

實時仿真完成后可對波形進行故障分區，將測試與仿真的數據分為3個階段。A：故障前；B：故障期間；C：故障后。各時段針對機側正序電壓、機側有功功率、機側無功功率和機側無功電流測試數據在電壓跌落過程中的特性，分為暫態和穩態區間。

判定A, B, C時段的開始和結束時刻方法如下：

1）電壓跌落前1 s為A時段開始；

2）電壓跌落至額定電壓90%時刻為A時段結束，B時段開始；

3）故障清除的開始時刻為B時段結束，C時段開始；

4）故障清除后，風電機組有功功率開始穩定輸出后的1 s為C時段結束。其中B時段分為B1（暫態）和B2（穩態）區間，C時段分為C1（暫態）和C2（穩態）區間。

完成故障分區后通過計算測試數據與仿真數據之間的偏差，可以考核模型的準確程度。計算數據偏差包括平均偏差、平均絕對偏差、最大偏差以及加權平均絕對偏差。其中，各時段暫態區間計算平均偏差和平均絕對偏差；穩態區間計算平均偏差、平均絕對偏差和最大偏差。在偏差計算值表格中，對應的數據是采集的數據平均值，仿真與實際數據進行實時對比，每個采樣點進行偏差計算，在圖形中顯示3條曲線：仿真數據，實測數據，二者差值。如圖6所示。

圖6 仿真與實測數據圖形對比Fig.6Comparison chart of the simulation data and test data

從圖6可以看出，電壓、有功功率、無功功率和無功電流的仿真數據和實測數據二者的差值在跌落前、跌落期間、跌落后均基本上保持在零值，符合設計要求。說明本文所設計的低電壓穿越測試模型是比較精確的，滿足設計需要。

4 結語

本文采用Matlab/GUI技術建立的風電機組低電壓穿越仿真測試系統，可以對不同電網電壓跌落情況進行性能測試。仿真界面操作簡單，具有良好的可拓展性，在實際應用中也可以根據用戶的要求進行改進，以實現特定的功能。為搭建風電機組低電壓穿越的實物測試平臺提供有益的參考。

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[3]Morren J，de Haan S W H. Ridethrough of Wind Turbines with Doubly-Fed Induction Generator During a Voltage Dip [J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2005，20 (2)：435-441.

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[6]張志涌. 精通Matlab 6.5版[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2003：548-559. Zhang Zhiyong. Proficient in Matlab Version 6.5[M]. Beijing：Beihang University Press，2003：548-559.

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（責任編輯：申劍）

Design and Implementation of Human-Machine Interface of LVRT Simulation Test System of Wind Turbines

Jiang Jianwei，Yi Jiliang，Li Junjun，Zhang Songke，Jiang Yuanyuan，Wang Gangyi
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

The increasing of installed capacity of large wind power generators requires the system of LVRT(low voltage ride through) ability. It is costly and time consuming to develop a physical device for LVRT test. Based on modular design idea, the LVRT simulation model of wind power was established by Matlab/simulink, and the simulation-testing system of wind turbine LVRT based on graphical user interface is designed by GUI programming environment provided by Matlab. The GUI and Simulink data exchange technology is used to achieve the parameter setting, the real-time display of waveform and data, fault partition and deviation calculation, etc. The results show that the system is easy to operate and strong human-computer interacted, and it can get the high credibility simulation data, intuitive graph curve as well as the test report in accordance with the standards, which provides a software platform with low cost and high reference value.

wind turbine； LVRT； test system；Matlab； GUI

TM307+.3

A

1673-9833(2014)04-0030-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.008

2014-02-23

國能科技基金資助項目（[2011]276號），湖南省自然科學株洲聯合基金資助項目（12JJ9042）

姜建偉（1983-），男，山西忻州人，湖南工業大學碩士生，主要研究方向為智能檢測和控制，E-mail：jiang_1983@hotmail.com

易吉良（1972-），男，湖南株洲人，湖南工業大學副教授，主要從事電能質量分析，數字信號處理研究，E-mail：yi_jiliang@163.com