基于FPGA的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變流器實(shí)時(shí)模擬

于　芳，田　濤，吳金城，范曉旭，朱博文

(1．華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京　102206；2．龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司，北京　100034)

Real-time Simulation of Excitation Converter for Doubly-fed Induction Generator Based on FPGAYU Fang1, TIAN Tao1, WU Jincheng2, FAN Xiaoxu2, ZHU Bowen1

(1. School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;

2. China Longyuan Power Group Corporation Limited, Beijing 100034, China)

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基于FPGA的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變流器實(shí)時(shí)模擬

于芳1，田濤1，吳金城2，范曉旭2，朱博文1

(1．華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京102206；2．龍?jiān)措娏瘓F(tuán)股份有限公司，北京100034)

0引言

變流環(huán)節(jié)作為兆瓦級(jí)變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的核心部分，其性能好壞直接關(guān)乎機(jī)組發(fā)電質(zhì)量、運(yùn)行安全及電網(wǎng)運(yùn)行安全。研究勵(lì)磁變流器對(duì)于推動(dòng)我國風(fēng)力發(fā)電事業(yè)的發(fā)展、增強(qiáng)風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域的自主創(chuàng)新能力都具有十分重要的意義[1-2]。

以仿真手段進(jìn)行變流器的研究可以克服實(shí)物實(shí)驗(yàn)研究成本高，周期長的固有缺陷，但電力電子元件仿真所要求的仿真步長小、數(shù)據(jù)精度高，受限于計(jì)算機(jī)的處理速度，對(duì)變流器的仿真一般為非實(shí)時(shí)仿真，適用于大多數(shù)的分析研究。而實(shí)時(shí)仿真的意義在于可通過將實(shí)時(shí)仿真部分與其他實(shí)物對(duì)象及實(shí)際控制器相連接的方式測(cè)試不同控制策略的實(shí)際效果。FPGA仿真具有高速穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)，文獻(xiàn)[3-5]為FPGA仿真在不同研究內(nèi)容中的應(yīng)用。

本文在LabVIEW開發(fā)環(huán)境下通過FPGA模塊將雙側(cè)變流器模型及控制系統(tǒng)全部下放至FPGA實(shí)現(xiàn)，使其可實(shí)時(shí)地模擬真實(shí)變流器的運(yùn)行特性。

1雙PWM變流器動(dòng)態(tài)模型及控制策略

1.1雙側(cè)變流器動(dòng)態(tài)模型

雙PWM型變流器主電路如圖1所示。R1、L1為網(wǎng)側(cè)進(jìn)線電抗器等效電阻及電感；C為直流環(huán)節(jié)儲(chǔ)能電容；L2、R2電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組漏感及等效電阻。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與網(wǎng)側(cè)變流器通過直流環(huán)節(jié)連接并進(jìn)行能量交換。

圖1　雙PWM型變流器主電路圖

網(wǎng)側(cè)及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的動(dòng)態(tài)模型相對(duì)獨(dú)立，根據(jù)電路原理可建立三相靜止坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程[6-7]，經(jīng)坐標(biāo)變換得到d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的描述[8]。

(1)

(2)

(3)

式中：id1、iq1、id2、iq2為網(wǎng)側(cè)及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器交流側(cè)電流d、q分量；ud、uq、ed、eq為電網(wǎng)電壓及轉(zhuǎn)子電壓d、q分量；Sd1、Sq1、Sd2、Sq2為網(wǎng)側(cè)及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器開關(guān)信號(hào)d、q分量；ω1及ω2為與定向方式相關(guān)的角速度；Udc為直流母線電壓；iload為網(wǎng)側(cè)變流器負(fù)載電流。

1.2雙側(cè)變流器控制策略

組成雙PWM型變流器的網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器任務(wù)相對(duì)獨(dú)立。網(wǎng)側(cè)變流器采用電網(wǎng)電壓定向下電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)[9-10]，實(shí)現(xiàn)直流母線的電壓穩(wěn)定和交流側(cè)的單位功率因數(shù)運(yùn)行。轉(zhuǎn)子側(cè)采用定子磁鏈定向下的雙閉環(huán)控制策略[11-12]：并網(wǎng)前電壓外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，使定子電壓跟蹤電網(wǎng)電壓；并網(wǎng)后功率外環(huán)-電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)有功和無功功率的解耦控制。

圖2為雙PWM型變流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意。

圖2　雙PWM型變流器控制系統(tǒng)信號(hào)流向圖

控制系統(tǒng)不斷由系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)通過控制策略得到參考值，通過空間矢量脈寬調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)得到開關(guān)動(dòng)作改變下一刻變流器的狀態(tài)。

2雙PWM變流器的FPGA實(shí)現(xiàn)

2.1FPGA程序編寫

為了真實(shí)地模擬變流器的動(dòng)態(tài)特性，仿真步長要足夠小，設(shè)為1μs。一般的仿真手段無法在如此短的時(shí)間里進(jìn)行一次狀態(tài)方程求解及控制算法的求解。FPGA處理能力強(qiáng)大，算法可在單個(gè)FPGA時(shí)鐘周期(25ns)內(nèi)執(zhí)行完成，可為閉環(huán)控制系統(tǒng)提供速率超過1MHz的運(yùn)算能力[13]。運(yùn)用LabVIEW FPGA模塊創(chuàng)建FPGA程序，程序框圖如圖3所示。

圖3為FPGA程序框圖，在實(shí)時(shí)狀態(tài)下程序1ms循環(huán)一次，程序框圖左上角的“1000”表示在1ms內(nèi)框內(nèi)程序循環(huán)執(zhí)行1 000次，即仿真步長為1μs。上半部分的SVPWM子程序塊及轉(zhuǎn)子側(cè)模型子程序塊屬于轉(zhuǎn)子側(cè)變流器部分，下半部分的 SVPWM子程序塊、網(wǎng)側(cè)模型子程序塊及control子程序塊屬于網(wǎng)側(cè)變流器部分。

2.1.1各子程序塊功能

網(wǎng)側(cè)模型子程序塊及轉(zhuǎn)子側(cè)模型子程序塊分別進(jìn)行式(1)及式(2)的構(gòu)造及龍格庫塔求解，以狀態(tài)方程的形式分別構(gòu)造了圖1所示的雙側(cè)變流器模型。由式(3)，兩側(cè)變流器通過直流環(huán)節(jié)連接，網(wǎng)側(cè)提供給轉(zhuǎn)子側(cè)的Udc波動(dòng)會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器產(chǎn)生影響，而轉(zhuǎn)子側(cè)反饋給網(wǎng)側(cè)的負(fù)載電流iload波動(dòng)則可視為對(duì)網(wǎng)側(cè)變流器的擾動(dòng)，兩側(cè)變流器便如此連接起來，圖3中Udc標(biāo)簽處連線為網(wǎng)側(cè)模型子程序塊將直流電壓輸出至轉(zhuǎn)子側(cè)模型子程序塊，而iload標(biāo)簽處連線為轉(zhuǎn)子側(cè)模型子程序塊將負(fù)載電流通過下一循環(huán)周期送至網(wǎng)側(cè)模型子程序塊。網(wǎng)側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)模型子程序塊對(duì)應(yīng)圖2所示系統(tǒng)的右邊模型部分。

圖3　FPGA程序框圖

control子程序塊內(nèi)容為網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略，而轉(zhuǎn)子側(cè)的控制策略由電機(jī)部分程序負(fù)責(zé)，因此該FPGA程序中并沒有轉(zhuǎn)子側(cè)的控制模塊。control子程序塊及SVPWM子程序塊對(duì)應(yīng)圖2所示系統(tǒng)的左邊控制部分。

2.1.2程序執(zhí)行順序

網(wǎng)側(cè)變流器和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器可以理解為并行運(yùn)行，各自相對(duì)獨(dú)立，只通過Udc和iload互相關(guān)聯(lián)影響。

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器部分：外部電機(jī)部分程序給出的轉(zhuǎn)子側(cè)控制量經(jīng)過SVPWM子程序塊進(jìn)行調(diào)制，得到開關(guān)狀態(tài)，送入轉(zhuǎn)子側(cè)模型子程序塊，求解出轉(zhuǎn)子電壓，輸出至框外電機(jī)部分的程序。

網(wǎng)側(cè)變流器部分：由control子程序塊得到的控制量經(jīng)過SVPWM子程序塊進(jìn)行調(diào)制，得到開關(guān)狀態(tài)，送入網(wǎng)側(cè)模型子程序塊，求解出下一時(shí)刻的狀態(tài)。程序不斷循環(huán)執(zhí)行便可模擬變流器的運(yùn)行情況。此FPGA程序經(jīng)調(diào)試編譯后，便可下放至FPGA板卡執(zhí)行。

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及通信

2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

包括風(fēng)機(jī)、電機(jī)程序及本篇論文討論的FPGA變流器程序在內(nèi)的整個(gè)仿真系統(tǒng)的硬件平臺(tái)由主控計(jì)算機(jī)、上位機(jī)(PXI機(jī)箱)及下位機(jī)(FPGA板卡)3部分組成，其中FPGA板卡被安插在PXI機(jī)箱中。圖4所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，主控計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控及指令下達(dá)，風(fēng)機(jī)及電機(jī)程序被部署在PXI機(jī)箱中的CPU執(zhí)行，而變流器程序則放在PXI機(jī)箱中的FPGA板卡執(zhí)行。

圖4　仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.2系統(tǒng)通信方式

PXI機(jī)箱內(nèi)的FPGA板卡通過機(jī)箱內(nèi)的系統(tǒng)總線與CPU進(jìn)行通信，F(xiàn)PGA板卡接收CPU內(nèi)風(fēng)機(jī)電機(jī)部分的運(yùn)行狀態(tài)信息，并將變流器運(yùn)算結(jié)果返回至CPU，通信技術(shù)采用直接內(nèi)存存取(direct memory access，DMA)模式實(shí)現(xiàn)兩者之間大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

PXI機(jī)箱與主控計(jì)算機(jī)之間通過以太網(wǎng)進(jìn)行通信，PXI將仿真程序運(yùn)行結(jié)果通過以太網(wǎng)口實(shí)時(shí)傳送給主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示，主控機(jī)則可以進(jìn)行仿真結(jié)果的顯示等工作。

整體系統(tǒng)依靠處于實(shí)時(shí)狀態(tài)的PXI機(jī)箱和FPGA的高速運(yùn)算能力嚴(yán)格保證了仿真的實(shí)時(shí)性?；谟布膶?shí)現(xiàn)使整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到增強(qiáng)。

3仿真運(yùn)行

3.1仿真內(nèi)容

在所實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)平臺(tái)上進(jìn)行1.5MW雙饋風(fēng)力機(jī)組柔性并網(wǎng)過程及并網(wǎng)后運(yùn)行的一次全程實(shí)時(shí)模擬，主要分析在此過程中，勵(lì)磁變流器部分的運(yùn)行特性及對(duì)電機(jī)的控制。

3.2仿真結(jié)果及分析

仿真參數(shù)：

風(fēng)力機(jī)：切入風(fēng)速3m/s，額定風(fēng)速10m/s，風(fēng)輪同步轉(zhuǎn)速15r/min、額定轉(zhuǎn)速17.4r/min。

雙饋電機(jī)：額定功率1.5MW，定子繞組等效電感0.014 22H，轉(zhuǎn)子繞組等效電感0.014 8H，定轉(zhuǎn)子等效互感0.014 1H，定子繞組等效電阻0.031 9，轉(zhuǎn)子繞組等效電阻0.002 85。

雙PWM變流器：開關(guān)頻率2 000Hz，直流電容0.015F，進(jìn)線電抗器電感9mH，進(jìn)線電抗器電阻0.1。

3.2.1柔性并網(wǎng)過程

初始風(fēng)速6m/s，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，在約52.38s電機(jī)達(dá)啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，變流器控制電機(jī)快速跟蹤電網(wǎng)電壓。圖5為并網(wǎng)階段定子電壓。

圖5　并網(wǎng)階段定子電壓

3.2.2并網(wǎng)運(yùn)行過程

并網(wǎng)后，電機(jī)在變流器控制下追蹤最大風(fēng)能，由于風(fēng)速較低，電機(jī)始終運(yùn)行在亞同步狀態(tài)。54.50s開始風(fēng)速逐漸上升，電機(jī)經(jīng)歷由亞同步到同步再到超同步運(yùn)行的過渡。圖6為此過渡過程中轉(zhuǎn)子側(cè)變流器運(yùn)行情況。

圖6　轉(zhuǎn)子側(cè)變流器過渡過程運(yùn)行情況

圖6(a)所示，在56.30s附近電機(jī)達(dá)同步轉(zhuǎn)速，變流器對(duì)電機(jī)進(jìn)行直流勵(lì)磁。圖6(c)為單相轉(zhuǎn)子電流電壓波形，同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)左右轉(zhuǎn)子電壓與電流之間相位關(guān)系發(fā)生變化。

圖7　網(wǎng)側(cè)變流器過渡過程運(yùn)行情況

圖7為過渡過程中網(wǎng)側(cè)變流器運(yùn)行情況。如圖7(a)所示，隨能量流動(dòng)方向逆轉(zhuǎn)，負(fù)載電流在同步轉(zhuǎn)速點(diǎn)附近由正變負(fù)，網(wǎng)側(cè)電流電壓相位關(guān)系如圖7(b)、(c)所示變化。

圖8　電機(jī)功率曲線

圖8為全程電機(jī)功率曲線。階段1，電機(jī)啟動(dòng)，并網(wǎng)瞬間的沖擊電流導(dǎo)致電機(jī)功率波動(dòng)，有功功率逐漸增大。階段2，風(fēng)速增大，電機(jī)有功功率繼續(xù)上升。風(fēng)速最終上升至11.4m/s，機(jī)組在61.00s左右達(dá)到額定功率并由風(fēng)機(jī)控制策略控制槳距角動(dòng)作來限制發(fā)電功率保持在額定功率附近。此過程對(duì)應(yīng)圖中的階段3,發(fā)電功率曲線基本呈一橫線，發(fā)電機(jī)保持恒功率運(yùn)行。

圖9　變流器有功功率曲線

圖9為全程變流器有功功率曲線，網(wǎng)側(cè)與轉(zhuǎn)子側(cè)變流器交流側(cè)有功功率P1、P2幾乎重疊在一起。當(dāng)曲線為正，P1>P2；當(dāng)曲線為負(fù)，|P2|>|P1|。不等式關(guān)系表示線路損耗造成有功功率細(xì)微損失。

上述仿真結(jié)果與實(shí)際變流器運(yùn)行特性相符，且說明電機(jī)受到了變流器的有效控制。

4結(jié)束語

考慮到實(shí)時(shí)仿真在風(fēng)力發(fā)電研究中的意義，本文在對(duì)變流器模型及控制策略研究的基礎(chǔ)上嘗試了雙饋電機(jī)勵(lì)磁變流器的FPGA實(shí)現(xiàn)并進(jìn)行了模擬仿真運(yùn)行。通過對(duì)仿真結(jié)果中變流器部分運(yùn)行特性及對(duì)電機(jī)控制效果的分析驗(yàn)證了此硬件實(shí)現(xiàn)的合理性。另外，F(xiàn)PGA的可重復(fù)配置性使其可適應(yīng)多變的研究需求，此實(shí)現(xiàn)具有實(shí)際應(yīng)用意義。

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于芳(1990-)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制技術(shù)在發(fā)電過程中的應(yīng)用，E-mail:yufang@ncepu.edu.cn；

田濤(1968-)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)控制技術(shù)在發(fā)電過程中的應(yīng)用，E-mail:tt@ncepu.edu.cn.

(責(zé)任編輯：林海文)

Real-time Simulation of Excitation Converter for Doubly-fed Induction Generator Based on FPGAYU Fang1, TIAN Tao1, WU Jincheng2, FAN Xiaoxu2, ZHU Bowen1

(1. School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;

2. China Longyuan Power Group Corporation Limited, Beijing 100034, China)

摘要：由于電力電子元件仿真在仿真步長及計(jì)算精度等方面的高要求，普通的平臺(tái)很難進(jìn)行變流器的實(shí)時(shí)仿真。針對(duì)這一問題，本文以雙饋發(fā)電機(jī)(doubly-fed induction generator, DFIG)勵(lì)磁用雙脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變流器為研究對(duì)象，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)上進(jìn)行了變流器模型及其控制系統(tǒng)的硬件實(shí)時(shí)模擬。將此FPGA程序與電機(jī)部分及風(fēng)機(jī)部分程序相連接，實(shí)時(shí)模擬了一次雙饋電機(jī)并網(wǎng)及并網(wǎng)后運(yùn)行的連續(xù)過程，通過對(duì)此過程中勵(lì)磁變流器的運(yùn)行特性分析驗(yàn)證了此FPGA實(shí)現(xiàn)的合理性及正確性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電；交流勵(lì)磁；雙脈寬調(diào)制變流器；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

Abstract：Real-time simulation of power electronic components is hard to be conducted on common simulation platform due to the high requirement of the simulation step size and the calculation accuracy. Taking doubly-fed induction generator (DFIG) with excitation realized by dual-PWM converter as research object, the hardware real-time simulation on converter model and its control system are conducted on field-programmable gate array (FPGA). Then the FPGA program is connected to the simulation program of wind turbine and DFIG, and a continuous process before and after the grid with the connection of DFIG is simulated in real time. The rationality and correctness of the FPGA implementation are verified by the analysis of the dynamic operation performance of the converter in the simulation process.

Keywords：wind power generation; AC excitation; dual-PWM converter; field-programmable gate array (FPGA)

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2014-04-23

文章編號(hào)：1007-2322(2015)01-0059-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TM41；TM47