基于CompactRIO的雙饋風力發電機背靠背變流器

吳華波，盧祖安，李佳澤

（廣西電力系統最優化與節能技術重點實驗室（廣西大學），廣西南寧530004）

基于CompactRIO的雙饋風力發電機背靠背變流器

吳華波，盧祖安，李佳澤

（廣西電力系統最優化與節能技術重點實驗室（廣西大學），廣西南寧530004）

采用FPGA、DSP作為控制核心的風力發電機組實驗裝置由于底層編程技術門檻較高，在科學研究過程中，一些先進的控制算法很難在此類設備上進行代碼轉換。提出采用一種速度更快，編程技術門檻更低的CompactRIO虛擬儀器設備作為控制核心的雙饋風力發電機組的背靠背變流器設計方案。基于該變流器，研究人員只需采用簡單易學的圖形化編程技術即可方便地將已經通過數字仿真驗證的控制算法轉換為變流器的底層控制程序，從而實現控制算法的物理驗證。實驗結果表明，基于該方案設計的雙饋風力發電機組背靠背變流器，可以實現對雙饋風力發電機組的精準、快速地控制。關鍵詞：虛擬儀器雙饋風力發電機背靠背變流器實驗裝置

近年來風能的開發利用越發受到重視，廉價的風能在綠色能源中所占比重也越來越大，然而我國風力發電技術起步較晚，在一定程度上制約了這種新型能源的發展[1]，因此對風力發電技術的研究已然成為當前的研究熱點。在眾多的變速恒頻風力發電機組中，雙饋異步發電機（Doubly fed Induction Generator，DFIG）由于變頻容量和體積較小，風能利用系數高，可以改善系統功率因數等優點，成為了現代風電場中的主力機型，且該機型的控制研究課題也得到了科研人員的廣泛關注。

科研人員進行風力發電控制技術研究時，通常是采用數字仿真的方式進行，然而在數字仿真過程中，由于忽略了很多因素，其仿真結果與實際系統響應結果仍有一定的差別，即數字仿真結果不可能與實際系統完全吻合。因此理論研究成果的推廣運用必須通過真機的實驗驗證后方能實施，但是由于大多數風電現場較為偏僻，許多因素會影響到驗證實驗的效率，有些實驗甚至無法實現，因而在實驗室搭建風力發電機模擬裝置顯得尤為必要。

圍繞著風力發電機實驗裝置的研究和開發，研究人員做了大量的工作。文獻[2]構建了基于FPGA的模擬雙饋風力發電并網控制的測試實驗平臺，利用FPGA的并行處理能力，裝置的控制性能得到了較好的提升，但其編程軟件采用較復雜的硬件描述語言。文獻[3，4]構建了以DSP為控制核心的DFIG模擬發電實驗平臺。在可靠性要求高的電路驅動方面以及控制的實時性方面DSP雖然不如FPGA，但其超強的信號處理能力卻適合于復雜的控制算法。利用FPGA及DSP為核心搭建實驗平臺的優缺點各異，但兩者共同缺點是底層代碼編程工作量大，對研究人員的編程能力要求較高，因而分散了研究人員的精力，影響了理論成果的轉化效率。

近年來，集成了FPGA及高速工業處理器的嵌入式的虛擬儀器得到了快速發展。由于虛擬儀器采用簡單易學的圖形化的編程語言，運用這種嵌入式虛擬儀器搭建風力發電機組科研實驗平臺，既能保證控制性能，又能使科研人員從繁瑣的底層代碼編程中解放出來，將更多精力專注于更多、更先進的控制算法研究。基于此，本文提出一種以嵌入式虛擬儀器作為控制核心的DFIG背靠背變流器設計方案。并將所研制的變流器運用于DFIG實驗裝置，驗證方案的有效性。

1 DFIG實驗裝置及背靠背變流器硬件設計

1.1 DFIG實驗裝置系統框圖

圖1為DFIG實驗裝置系統框圖。系統分風力機模擬裝置、DFIG及其控制系統兩部分。

圖1DFIG實驗裝置系統框圖

1.1.1 風力機模擬系統

風力機部分由一臺直流電動機及其轉矩控制系統構成，用于模擬不同風速條件下風力機的出力。該部分的主要工作原理是根據預先設定的風速及機組的實時轉速，輸出相應的轉矩，拖動DFIG旋轉發電。該部分不屬本文的研究重點，詳細的結構及其轉矩控制原理在此不再贅述。

1.1.2 DFIG及其控制系統

DFIG由定子三相繞組和轉子三相繞組組成；DFIG的控制系統實質上是圖1中的背靠背變流器，由結構相同的兩個變流器經直流母線串聯組成，負責機組的變速恒頻發電控制。

DFIG的定子經并網開關與電網相連，向電網輸送功率；轉子的三相交流勵磁電源由接在電網側的勵磁變壓器供給；由網側和轉子側變流器組成的背靠背變流器作為DFIG的控制系統，將勵磁變壓器送來的三相交流電源經網側變流器進行整流，然后再由轉子側變流器逆變成三相電壓、相位、頻率均可調節的三相交流勵磁電源，對DFIG實施變速恒頻發電及有功無功功率解耦控制。

由上述分析可知，背靠背變流器是DFIG發電系統中最重要的控制部分。風電場中，對DFIG實施的最大風能功率追蹤控制以及限功率運行控制等算法均在背靠背變流器的控制系統中實現，因此設計一款底層控制代碼編程較為簡單的背靠背變流器對提高科研人員的工作效率尤為重要。

1.2 背靠背變流器硬件結構

背靠背變流器的主電路是由兩個在結構上完全一樣的兩電平電壓型三相PWM變流器經直流母線連接起來的，其硬件結構如圖2所示。網側變流器經電抗器L后，通過勵磁變壓器連接至電網，而轉子側變流器則直接接至轉子繞組。

圖2 背靠背變流器主電路硬件結構

1.2.1 CompactRIO控制器

變流器控制部分選用的是美國國家儀器公司（National Instruments，NI）生產的單板式CompactRIO嵌入式控制器（以下簡稱CompactRIO）。該控制器在一塊印刷電路板上集成了各種核心組件：400 MHz處理器、FPGA和各種I/O。這樣的集成在降低成本的同時，維持了可重新配置I/O架構的優勢。控制器采用LabVIEW-FPGA及圖形化編程工具，可通過自定義定時、在線處理和高級控制，輕松定制硬件和I/O.用戶還可借助LabVIEW Real-Time模塊，創建穩定可靠的面向浮點處理、數據記錄和網絡通信的嵌入式應用程序。

1.2.2 轉子側變流器

轉子側變流器實質上是一臺逆變器，主要作用是將直流母線上的直流電能轉換為交流電能，作為DFIG的勵磁電源。

圖3為轉子側變流器的硬件結構框圖。運行時，CompactRIO通過采集控制算法所必需的定子電壓Uabcs、轉子電壓Uabcr、定子電流Iabcs、轉子電流Iabcr，電網電壓Uabc等模擬量以及反映DFIG轉子轉速和位置的旋轉編碼器信號，經控制算法解算后輸出三相PWM波形，控制逆變橋輸出頻率、幅值和相位可調的三相交流電，即可實現空載時的變速恒頻發電和并網時的有功、無功解耦控制。為了實現DFIG隨風速大小的切入與切出控制，轉子側變流器需要對并網開關進行控制，因此，CompactRIO通過開關量輸出接口DO對開關進行控制，同時通過開關量輸入口采集并網開關的輔助接點信號，以識別并網開關當前狀態。變流器所采集的所有信號量均經過相應的信號調理電路后才能與CompactRIO的輸入口匹配，而所有輸出口輸出的信號也必須經過驅動放大電路后方能與外部連接。

圖3 轉子側變流器的硬件結構框圖

變流器的硬件分上下兩層布置，圖4所示為變流器內部安裝圖。其中圖（a）為底層安裝圖，圖（b）為頂層安裝圖。圖4中，1、2為電壓電流信號調理電路；3為PWM功率放大電路；4為智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM），一塊IPM即是一個三相PWM變流器；5為IPM過電壓保護電路；6為開關量輸入輸出電路與編碼器脈沖調理電路；7為CompactRIO.這7部分分層安裝在同一個控制箱中。圖5為背靠背變流器及裝置組屏圖。

圖4 轉子側變流器內部安裝圖

圖5 背靠背變流器及裝置組屏圖

1.2.3 網側變流器

網側變流器主要作用是將交流電能轉換為直流電能，為轉子側變流器的逆變控制提供電壓穩定的直流電源。圖6為網側變流器的硬件結構框圖，其基本結構與轉子側相同，所不同的是模擬量采集的信號僅有電網電壓Uabc、電流Iabc、直流母線Udc、直流電流Idc，同時少了并網開關的控制功能，因此其硬件及控制結構相對簡單。

圖6 網側變流器的硬件結構框圖

2 背靠背變流器控制策略

2.1 網側變流器控制策略

網側變流器的控制指標有三個，一是維持直流母線電壓的穩定；二是控制輸入功率因數；三是保持輸入電流正弦。在電網電壓恒定的情況下，對直流母線電壓的控制實際上就是對輸入電流有功分量的控制；對功率因素的控制即是對輸入電流無功分量的控制；輸入電流的波形是否正弦與PWM調制方式以及電流控制的有效性有關。

網側變流器數學模型經坐標變換與電網電壓定向，可得式（1）所示的交流側電壓表達式[5]。

其中，ugd、ugq、id、iq分別為交流側三相電壓uga、ugb、ugc，交流側三相輸入電流ia、ib、ic在dq軸的電壓、電流分量；ud為電網電壓的d軸分量；Lg為輸入電感；Rg為輸入電阻；ω1為電網同步角速度。

由式（1）可知，id、iq受ugd、ugq，電流交叉耦合項ω1Lgiq、ω1Lgid，電壓降Rgid、Rgiq以及ud四個因素影響。為了消除上述四個因素帶來的控制靜差，實現對id、iq的有效控制，可引入PI控制器，設計如下電流控制器

根據式（2）、（3）即實現了d、q軸電流的解耦控制。電壓環控制器也可采用類似式（2）的控制方式來設計。

則可得基于電網電壓定向的網側變流器控制策略，如圖7所示。

圖7 基于電網電壓定向的網側變流器控制策略

2.2 轉子側變流器控制策略

2.2.1 空載并網控制策略

DFIG空載時，定子側的各電流分量均為零，可得DFIG空載時的數學模型為[6]

式中，uds、uqs、udr、uqr、ids、iqs、idr、iqr分別為定轉子電壓、電流的dq軸分量；ψds、ψqs、ψdr、ψqr分別為定轉子磁鏈的dq軸分量；Lm、Lr分別為定轉子的互感和轉子自感；Rr為轉子電阻；ωs為轉差角速度；d為微分算子。

在定子磁鏈定向以及忽略定子繞組電阻的情況下，可得以下關系[7]

式中，u1為定子相電壓幅值；ψ1為定子磁鏈矢量幅值。

因此，得到DFIG空載并網控制原理，如圖8所示。

圖8 轉子側變流器空載并網控制策略

2.2.2 并網運行控制策

在dq坐標系中，DFIG定子輸出功率為[8]

經定子磁鏈定向后，輸出功率為

DFIG在dq坐標系下的定子磁鏈方程、轉子磁鏈方程經定子測量定向后，可改寫為[8]

式中，Rr、Lr分別為轉子電阻與電感；Ls為定子自感；udr、uqr、idr、iqr分別為轉子電壓電流在dq軸的分量。令

則有

式（11）即為實現DFIG有功無功功率解耦控制的轉子分量電壓表達式。將u進行解算得出PWM調制指令，從而控制轉子側變流器輸出相應的轉子交流勵磁電流，實現DFIG的功率控制，控制策略如圖9所示。

圖9 轉子側變流器功率控制策略

3 實驗及結果分析

3.1 實驗方案

為驗證設計和研發的背靠背變流器在DFIG實驗裝置中的控制效果，令轉速由亞同步到超同步之間線性變化，測試機組各電氣量在不同轉速下的波形及過渡過程。測試結果如圖10~11所示。

圖10 不同轉速條件下的勵磁電流ir與定子電壓us

圖11 變速下定子電壓usa與電網電壓uga

3.2 實驗結果分析

根據DFIG變速恒頻運行原理可知，當DFIG轉子轉速變化時，要使DFIG保持變速恒頻運行，那么必須通過控制轉子側變流器，使變流器輸出相應頻率的交流勵磁電流，以保持轉子旋轉磁場以同步速旋轉。圖10（a-c）所示為電機在亞同步、同步以及超同步轉速下空載運行時，轉子一相勵磁電流與定子一相電壓的波形。圖10（d）所示為轉子在上述三種轉速下勵磁電流的過渡過程波形。

分析圖10可知：當電機從亞同步運行狀態過渡到同步運行狀態時，轉子交流勵磁電流頻率開始減小，直到同步運行狀態時，轉子勵磁電流變為直流；從同步運行狀態過度到超同步運行狀態時，轉子勵磁電流頻率由零開始增大，但相序發生了變化；定子電壓的幅值與頻率在轉速變化過程中仍保持不變，說明在上述控制策略及硬件的控制下，實現了對DFIG的變速恒頻控制。

圖11為空載并網時，在轉速變化的工況下，DFIG定子電壓與電網電壓的波形，從圖中可以看出，即使在轉速變化的工況下，定子電壓也能快速地實現對電網電壓相位、頻率、幅值的跟蹤，且電壓誤差在允許范圍內。說明在轉子側變流器的控制下，實現了DFIG的柔性并網，可進行并網操作。

由于并網后的功率信號在控制器內部計算得出，無法通過示波器進行監測，因此本文沒有給出并網后的波形。

4 結論

針對現有基于FPGA或DSP研制的背靠背變流器所搭建的雙饋風力發電機組實驗裝置，存在底層代碼編程復雜，不便用于需要反復進行底層代碼編程的控制算法研究。本文提出了一種以虛擬儀器作為控制核心的背靠背變流器設計方案，其圖形化的編程方式，降低了實驗裝置的代碼編程難度，提高了科研人員的工作效率。實驗結果表明，基于CompactRIO研制的背靠背變流器完全能實現對雙饋風力發電機的控制，其控制性能可滿足科研實驗研究的基本要求。

[1]李建林，許洪華.風力發電中的電力電子變流技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2]天津易泰克科技有限公司.雙饋風力發電并網控制器用的測試模擬實驗系統：中國，201610352449.3[P].2016-07-20.

[3]中國科學院電工研究所.一種變速恒頻風力雙饋發電機實驗模擬系統：中國,200510086939.5[P].2007-05-30.

[4]哈爾濱工業大學（威海）.面向控制技術研究的雙饋風力發電系統模擬實驗平臺：中國201310310932.1[P].2015-01-21. [5]劉其輝，賀益康，卞松江.變速恒頻風力發電機空載并網控制[J].中國電機工程學報，2004，24（3）：6-11.

[6]馬宏偉,許烈，李永東.基于直接虛功率控制的雙饋風電系統并網方法[J].中國電機工程學報，2013，33（3）：99-105. [7]李嵐.雙饋電機控制技術[M].北京：中國電力出版社，2014：43-44.

[8]賀益康，胡家兵，徐烈.并網雙饋異步風力發電機運行控制[M].北京：中國電力出版社，2012：73-78.

DFIG Back to Back Converter Based on CompactRIO

WU Hua-bo，LU Zu-an，LI Jia-ze
（Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology（Guangxi University），Nanning Guangxi 530004，China）

It’s difficult for the bottom of the code coding technology of the use of FPGA or DSP as the control of the core of DFIG experimental device,in the scientific research process,some advanced control algorithm is difficult in such equipment into the code conversion.Using a lower speed,the use of lower threshold CompactRIO virtual instrument as a control of the core of DFIG back-to-back converter design.Based on the controller,the researchers can easily convert the control algorithm which has been verified by digital simulation into the underlying control code of the converter,so as to realize the physical verification of the control algorithm.The experimental results show that the back-to-back converter of DFIG based on the scheme can realize the precise and rapid control.

virtual instrument；DFIG；the back-to-back converter；experimental device

TM743

A

1672-545X（2017）06-0134-06

2017-03-02

吳華波（1992-），男，江西贛州人，碩士研究生，主要研究方向為風力發電技術；盧祖安（1987-），男，廣西玉林人，碩士研究生，主要研究方向為風力發電技術；李佳澤（1995-），男，江蘇鹽城人，本科生，主要研究方向為風力發電技術。