雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)換流控制器快速原型設(shè)計(jì)

陳康博，譚 興，馮海濤，余永元

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550001)

0 引言

xPC target技術(shù)可將simulink模型自動(dòng)的轉(zhuǎn)化為工控機(jī)可以執(zhí)行的C代碼，并將代碼下載到運(yùn)行實(shí)時(shí)內(nèi)核的目標(biāo)工控機(jī)中高速運(yùn)行，工控機(jī)通過數(shù)據(jù)采集卡與控制對(duì)象交換信息。xPC target快速原型化技術(shù)相對(duì)于手動(dòng)編寫程序的DSP與FPGA大大提高了實(shí)驗(yàn)效率［1］，與其他快速原型化設(shè)備相比，又是一種低成本解決方案。

RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器［2］可以方便直觀的對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的任意變量進(jìn)行監(jiān)控、對(duì)變量進(jìn)行在線調(diào)整，模擬任意的電力系統(tǒng)環(huán)境，在各種工況下對(duì)被測試設(shè)備進(jìn)行檢驗(yàn);相對(duì)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(shí)現(xiàn)的各種工況，大幅度提高了實(shí)驗(yàn)效率。

1 系統(tǒng)組成

1)RTDS:RTDS以小于2 μs的小步長運(yùn)行雙饋風(fēng)機(jī)模型的主電路，以大步長運(yùn)行風(fēng)機(jī)所在的電力系統(tǒng)模型和風(fēng)機(jī)的網(wǎng)側(cè)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(jī)轉(zhuǎn)速、位置量，三相定子電壓、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子電流等模擬電壓信號(hào)，通過GTDI數(shù)字輸入接收DSP發(fā)出的6路數(shù)字PWM信號(hào)。

2)xPC target目標(biāo)機(jī):即安裝有多功能數(shù)據(jù)采集卡的工控機(jī)。本實(shí)驗(yàn)中xPC target目標(biāo)機(jī)作為“極控”，通過數(shù)據(jù)采集卡采集風(fēng)機(jī)各個(gè)參數(shù)，經(jīng)過矢量控制輸出機(jī)側(cè)換流器的基準(zhǔn)電壓信號(hào)。工控機(jī)通過制作好的U盤啟動(dòng)盤啟動(dòng)，實(shí)時(shí)運(yùn)行上位機(jī)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(yùn)行速度，目標(biāo)機(jī)運(yùn)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(yùn)算不溢出的前提下最大限度降低運(yùn)行步長。NI PCI 6251采集卡設(shè)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(fù)用式，每通道采集時(shí)間為1 μs，本實(shí)驗(yàn)中雙饋式風(fēng)機(jī)的額定頻率為50 Hz，并且轉(zhuǎn)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(shí)驗(yàn)涉及電力電子器件觸發(fā)脈沖，PWM調(diào)制對(duì)運(yùn)算步長要求較高，所以需要使用DSP充當(dāng)“閥控”，通過其模擬輸入采集xPC target目標(biāo)機(jī)輸出的基準(zhǔn)電壓信號(hào)，可以運(yùn)行各種PWM調(diào)制代碼。

2 雙饋風(fēng)機(jī)變頻器機(jī)側(cè)控制策略

2.1 電流環(huán)控制模型

雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)控制采用矢量控制，通過改變機(jī)側(cè)換流器交流側(cè)的電壓相位、幅值，獨(dú)立控制發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功與無功，并實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)力追蹤［4］。

雙饋電機(jī)定轉(zhuǎn)子等效電路如圖1所示。

圖1 雙饋電機(jī)定轉(zhuǎn)子等效電路

定轉(zhuǎn)子磁鏈方程:

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

從定子磁鏈方程中提出is:

代入上式到轉(zhuǎn)子磁鏈方程得:

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

代入轉(zhuǎn)子電壓方程:

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

對(duì)應(yīng)上式(5)的控制模型［6］如圖2。

圖2 電流環(huán)控制模型

單獨(dú)調(diào)節(jié)D軸電流給定和Q軸電流給定可單獨(dú)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)輸出有功，定子輸出的無功。

2.2 最大功率追蹤實(shí)現(xiàn)方法

為實(shí)現(xiàn)最大功率捕捉，需要對(duì)Q軸電流給定值進(jìn)行計(jì)算。反饋當(dāng)前風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并假設(shè)其為最佳轉(zhuǎn)速(最佳葉尖速比下的轉(zhuǎn)速)。

通過公式求出以此轉(zhuǎn)速為最佳轉(zhuǎn)速時(shí)對(duì)應(yīng)的最大功率，并求出相應(yīng)的最佳電磁轉(zhuǎn)矩。

通過公式求出最佳電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)應(yīng)的Q軸電流。并以此電流作為Q軸電流給定［7］。

若當(dāng)前轉(zhuǎn)速低于最佳轉(zhuǎn)速，那么通過當(dāng)前轉(zhuǎn)速計(jì)算的最大功率popt會(huì)小于風(fēng)輪機(jī)的機(jī)械功率，風(fēng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩也會(huì)小于機(jī)械轉(zhuǎn)矩，風(fēng)機(jī)加速直到達(dá)到最佳葉尖速比。同理，若當(dāng)前轉(zhuǎn)速高于最佳轉(zhuǎn)速，風(fēng)機(jī)會(huì)減速直到達(dá)到最佳葉尖速比，實(shí)現(xiàn)最大功率捕捉。

3 試驗(yàn)裝置與RTDS的聯(lián)機(jī)試驗(yàn)

風(fēng)速從8 m/s突變?yōu)?2 m/s雙饋風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖3 風(fēng)速突變時(shí)風(fēng)機(jī)出口電壓(標(biāo)幺值)

風(fēng)機(jī)出口電壓如圖(3)，本實(shí)驗(yàn)雙饋風(fēng)機(jī)是經(jīng)過10 kV電路并網(wǎng)，由于線路阻性參數(shù)不能忽略，并控制風(fēng)機(jī)輸出無功不變，風(fēng)機(jī)有功增加會(huì)略微提升風(fēng)機(jī)端電壓。

圖4 風(fēng)速突變時(shí)風(fēng)機(jī)功率(標(biāo)幺值)

0.6 s時(shí)風(fēng)速突變，風(fēng)機(jī)功率變化如圖4，功率在10 s內(nèi)從0.27 pu上升到額定值。

圖5 風(fēng)速突變時(shí)轉(zhuǎn)子電流(kA)

風(fēng)速突變時(shí)轉(zhuǎn)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(shí)達(dá)到同步轉(zhuǎn)速。

圖6 風(fēng)速突變時(shí)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩(標(biāo)幺值)

風(fēng)速突變時(shí)轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩的變化如圖6，0.6 s之前風(fēng)速為8 m/s，轉(zhuǎn)速為0.8 pu。0.6 s風(fēng)速增加到12 m/s，轉(zhuǎn)速相應(yīng)的也在10 s內(nèi)達(dá)到1.2 pu，維持在最佳葉尖速比，實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤。

圖7為12 m/s風(fēng)速下雙饋風(fēng)機(jī)穩(wěn)定后額定運(yùn)行狀態(tài)，轉(zhuǎn)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(yùn)行時(shí)定子電壓(kV)

4 結(jié)論

本文使用xPC-target技術(shù)與DSP相結(jié)合的辦法，完成了雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)換流器控制器主要功能的設(shè)計(jì)。驗(yàn)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(duì)風(fēng)機(jī)控制器進(jìn)行測試，可以方便的設(shè)置各種工況，并可以方便直觀的對(duì)控制效果進(jìn)行評(píng)估。本文使用的方法也可以實(shí)現(xiàn)具有風(fēng)機(jī)低電壓穿越，槳距控制等其他功能的原型設(shè)備的研發(fā)與測試。

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

［2］ 郭琦.圖形化RTDS在線實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)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(jī)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(fēng)力發(fā)電場對(duì)電網(wǎng)暫態(tài)無功補(bǔ)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