雙饋風機機側換流控制器快速原型設計

陳康博，譚 興，馮海濤，余永元

(貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550001)

0 引言

xPC target技術可將simulink模型自動的轉化為工控機可以執(zhí)行的C代碼，并將代碼下載到運行實時內核的目標工控機中高速運行，工控機通過數(shù)據(jù)采集卡與控制對象交換信息。xPC target快速原型化技術相對于手動編寫程序的DSP與FPGA大大提高了實驗效率［1］，與其他快速原型化設備相比，又是一種低成本解決方案。

RTDS實時數(shù)字仿真器［2］可以方便直觀的對系統(tǒng)內的任意變量進行監(jiān)控、對變量進行在線調整，模擬任意的電力系統(tǒng)環(huán)境，在各種工況下對被測試設備進行檢驗;相對于物理模型，操作簡單方便，安全可靠，并可以模擬物理模型無法實現(xiàn)的各種工況，大幅度提高了實驗效率。

1 系統(tǒng)組成

1)RTDS:RTDS以小于2 μs的小步長運行雙饋風機模型的主電路，以大步長運行風機所在的電力系統(tǒng)模型和風機的網側換流器控制及變槳控制等。本文通過GTAO模擬輸出卡輸出發(fā)電機轉速、位置量，三相定子電壓、轉子電流、轉子電流等模擬電壓信號，通過GTDI數(shù)字輸入接收DSP發(fā)出的6路數(shù)字PWM信號。

2)xPC target目標機:即安裝有多功能數(shù)據(jù)采集卡的工控機。本實驗中xPC target目標機作為“極控”，通過數(shù)據(jù)采集卡采集風機各個參數(shù)，經過矢量控制輸出機側換流器的基準電壓信號。工控機通過制作好的U盤啟動盤啟動，實時運行上位機下載的C代碼，由于涉及到變頻器控制，為了最大限度的提高運行速度，目標機運行方式采用“polling”模式，而非中斷模式［3］，并且選擇了采集速度較快的NI PCI 6251多功能數(shù)據(jù)采集卡，在運算不溢出的前提下最大限度降低運行步長。NI PCI 6251采集卡設置為差分采集模式，降低干擾影響，提高采集精度。NI PCI 6251為多路復用式，每通道采集時間為1 μs，本實驗中雙饋式風機的額定頻率為50 Hz，并且轉子電流頻率更低，不同步采集帶來的誤差很小。

3)DSP:由于本實驗涉及電力電子器件觸發(fā)脈沖，PWM調制對運算步長要求較高，所以需要使用DSP充當“閥控”，通過其模擬輸入采集xPC target目標機輸出的基準電壓信號，可以運行各種PWM調制代碼。

2 雙饋風機變頻器機側控制策略

2.1 電流環(huán)控制模型

雙饋風機機側控制采用矢量控制，通過改變機側換流器交流側的電壓相位、幅值，獨立控制發(fā)電機發(fā)出的有功與無功，并實現(xiàn)最大風力追蹤［4］。

雙饋電機定轉子等效電路如圖1所示。

圖1 雙饋電機定轉子等效電路

定轉子磁鏈方程:

式中 ψs、ψr分別為定、轉子磁鏈;is、ir分別為定轉子電流;Lo為坐標系下同軸定、轉子繞組間的等效互感;Ls為定子繞組的自感;Lr為轉子繞組的自感。

從定子磁鏈方程中提出is:

代入上式到轉子磁鏈方程得:

將方程轉化為DQ坐標系下，并在定子磁鏈定向［5］下有 ψds=ψs，ψqs=0 得:

代入轉子電壓方程:

式中ωslip為滑差角頻率，Rr為轉子電阻，udr為轉子電壓D軸分量，uqr為轉子電壓Q軸分量。等式右端括號外的為解耦項。括號部分是前饋補償值，為了使DQ軸完全解耦。

對應上式(5)的控制模型［6］如圖2。

圖2 電流環(huán)控制模型

單獨調節(jié)D軸電流給定和Q軸電流給定可單獨調節(jié)風機輸出有功，定子輸出的無功。

2.2 最大功率追蹤實現(xiàn)方法

為實現(xiàn)最大功率捕捉，需要對Q軸電流給定值進行計算。反饋當前風機轉速，并假設其為最佳轉速(最佳葉尖速比下的轉速)。

通過公式求出以此轉速為最佳轉速時對應的最大功率，并求出相應的最佳電磁轉矩。

通過公式求出最佳電磁轉矩對應的Q軸電流。并以此電流作為Q軸電流給定［7］。

若當前轉速低于最佳轉速，那么通過當前轉速計算的最大功率popt會小于風輪機的機械功率，風機的電磁轉矩也會小于機械轉矩，風機加速直到達到最佳葉尖速比。同理，若當前轉速高于最佳轉速，風機會減速直到達到最佳葉尖速比，實現(xiàn)最大功率捕捉。

3 試驗裝置與RTDS的聯(lián)機試驗

風速從8 m/s突變?yōu)?2 m/s雙饋風機的運行狀態(tài)。

圖3 風速突變時風機出口電壓(標幺值)

風機出口電壓如圖(3)，本實驗雙饋風機是經過10 kV電路并網，由于線路阻性參數(shù)不能忽略，并控制風機輸出無功不變，風機有功增加會略微提升風機端電壓。

圖4 風速突變時風機功率(標幺值)

0.6 s時風速突變，風機功率變化如圖4，功率在10 s內從0.27 pu上升到額定值。

圖5 風速突變時轉子電流(kA)

風速突變時轉子電流變化如圖5電流頻率從-20 Hz變?yōu)?20 Hz，圖中3.5 s時達到同步轉速。

圖6 風速突變時轉速、電磁轉矩(標幺值)

風速突變時轉速、電磁轉矩的變化如圖6，0.6 s之前風速為8 m/s，轉速為0.8 pu。0.6 s風速增加到12 m/s，轉速相應的也在10 s內達到1.2 pu，維持在最佳葉尖速比，實現(xiàn)最大功率追蹤。

圖7為12 m/s風速下雙饋風機穩(wěn)定后額定運行狀態(tài)，轉子電流定子電流和定子電壓的波形圖，波形正常，控制效果較為理想。

圖7 額定運行時定子電壓(kV)

4 結論

本文使用xPC-target技術與DSP相結合的辦法，完成了雙饋風機機側換流器控制器主要功能的設計。驗證了其作為一種低成本快速原型解決方案的可行性，并得出了較理想的控制效果。使用RTDS對風機控制器進行測試，可以方便的設置各種工況，并可以方便直觀的對控制效果進行評估。本文使用的方法也可以實現(xiàn)具有風機低電壓穿越，槳距控制等其他功能的原型設備的研發(fā)與測試。

［1］ 李晶.基于xPC target的直線電機快速原型控制系統(tǒng)［J］.中國機械工程，2011，22(20):2452-2455

［2］ 郭琦.圖形化RTDS在線實時仿真系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，39(13):38-42

［3］ xPC Target User’s Guide［Z］.Mathworks，2013:279-290

［4］ R.Pena，J.C.Clare，G.M.Asher.Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable speed wind-energy generation［J］.1996，IEE Proc.Power Appl.，(3):231-241

［5］ 張世界.異步電機基于定子磁場定向的矢量控制系統(tǒng)的研究［J］.信息化縱橫，2009，(17):67-69

［6］ 邱生卓.雙饋風力發(fā)電場對電網暫態(tài)無功補償?shù)难芯浚跩］.電測與儀表，2013，50(8):58-61

［7］ Wind-turbine driven double-fed induction generator［Z］.RTDS technologies，2011