并網(wǎng)雙饋風(fēng)力發(fā)電實(shí)時(shí)仿真控制方案研究

郭飛亞

[摘要]風(fēng)力發(fā)電技術(shù)中雙饋風(fēng)力發(fā)電技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的一種，并且具有非常大的應(yīng)用前景，雙饋異步電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電典型策略為雙PWM結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)下，功率器件處理的轉(zhuǎn)差功率不到全部的1/3，大大減少了在功率器件上的資金投入。本文中提到了一種基于RT-LAB的雙饋異步電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，并對(duì)其在雙饋發(fā)電機(jī)及其配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)、構(gòu)建、驗(yàn)證與測(cè)試的效果進(jìn)行了探討。

[關(guān)鍵詞]并網(wǎng)；雙饋風(fēng)力發(fā)電；實(shí)時(shí)仿真

[DOI]1013939/jcnkizgsc201535209

1系統(tǒng)構(gòu)建相關(guān)模型

（1）數(shù)學(xué)模型。本設(shè)計(jì)中的雙饋發(fā)電機(jī)數(shù)學(xué)模型在原有數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上，為便于討論進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)：電機(jī)鐵心的磁滯、磁路飽和和渦流損耗的影響忽略不計(jì)；定子與轉(zhuǎn)子電流高次諧波、定子與轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)高次諧波分量忽略不計(jì)；按照電動(dòng)機(jī)慣例選取各個(gè)物理量正方向；并將所有的轉(zhuǎn)子量都折算到定子側(cè)。進(jìn)而獲得了同步速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電機(jī)方程：

（2）雙PWM變流器勵(lì)磁矢量控制。本設(shè)計(jì)中，采用雙PWM變流器進(jìn)行轉(zhuǎn)子電路的勵(lì)磁，其中網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)直接相連，電流為正弦、少諧波，其輸入功率因素為1，控制目標(biāo)主要為維持直流電壓的恒定與良好動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，能夠確保發(fā)電機(jī)輸出解耦的有功、無功功率。

①網(wǎng)側(cè)變流器電網(wǎng)電壓定向矢量控制。網(wǎng)側(cè)變流器接入電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中相應(yīng)的關(guān)系為：

②轉(zhuǎn)子側(cè)變流器定子電壓定向矢量控制。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則是經(jīng)單獨(dú)控制定子繞組發(fā)出的有功、無功功率，并間接調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，使之在風(fēng)力機(jī)特性曲線的最大風(fēng)能捕獲點(diǎn)附近運(yùn)行，進(jìn)而對(duì)風(fēng)能進(jìn)行最大程度的利用。轉(zhuǎn)子側(cè)變流器采用定子電壓定向矢量控制，根據(jù)vdcidc=3vdid，采用定子電壓定向、定子磁鏈定向的食量控制結(jié)構(gòu)相同，而區(qū)別僅在磁鏈的計(jì)算方式上，設(shè)定子電壓為常數(shù)，忽略定子電阻，則：

2仿真控制方法及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

21半實(shí)物仿真

本設(shè)計(jì)中采用了半實(shí)物仿真，半實(shí)物仿真是仿真技術(shù)中置信度最高的一種，即是在仿真實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的仿真回路中介入部分實(shí)物來進(jìn)行仿真，與其他仿真方法相比，其真實(shí)度更高。在系統(tǒng)中介入實(shí)物，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)物在本系統(tǒng)中的考察，進(jìn)而檢驗(yàn)部件在該系統(tǒng)中的整體性能指標(biāo)，進(jìn)而有效的提高系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性?；诎雽?shí)物仿真控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其兩個(gè)重要的階段在于RCP快速控制原型和硬件，在半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，是采用RCP進(jìn)行設(shè)計(jì)理念與控制算法的實(shí)時(shí)仿真的，并在產(chǎn)生代碼后經(jīng)I/O和被控的實(shí)際對(duì)象相連接，對(duì)算法的控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。在系統(tǒng)投入使用前，還需要測(cè)試控制器的控制性能，尤其是測(cè)試系統(tǒng)在特殊工況下的表現(xiàn)，而這種測(cè)試就需要通過HIL仿真來實(shí)現(xiàn)。測(cè)試中，將實(shí)時(shí)仿真虛擬電網(wǎng)等被控對(duì)象與實(shí)際控制器相連，此時(shí)可隨意通過模型操作來獲得常態(tài)與事故環(huán)境，從而大大減小了直接操作實(shí)際對(duì)象的危險(xiǎn)和成本。實(shí)踐證明，被控對(duì)象建模的性能檢測(cè)中，HIL仿真具有很高的可信度。

22系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)為大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，是由額定功率為15MW的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組成（10臺(tái)）。模型包括控制部分、電部分與機(jī)械部分。采用Simulink/Simpowersystem中異步電機(jī)模擬雙饋電機(jī)，以庫中的標(biāo)準(zhǔn)元件替代與電網(wǎng)相接的變壓器、平波電感。雙PWM控制電壓逆變器工作頻率2kHz，采用RT-LAB中帶時(shí)間戳的Time Stamped Bridge逆變器橋來提高響應(yīng)高頻脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)的精度，這種方式下，計(jì)算時(shí)間大大減少，在實(shí)時(shí)仿真中應(yīng)用非常合適。

3仿真結(jié)果與實(shí)時(shí)性能分析

31仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于RT-LAB半實(shí)物仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。為便于分析，選取風(fēng)力電廠某臺(tái)電機(jī)為研究對(duì)象進(jìn)行了各種工況的仿真模擬，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定后發(fā)電機(jī)的電壓穩(wěn)定在額定電壓575V，無功功率收斂為0，滿足功率因素為1的要求。有效跟蹤設(shè)定參考直流電壓1250V，僅在初始階段產(chǎn)生01左右的微小波動(dòng)，而進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，運(yùn)行良好，即采用雙PWM矢量控制策略正確，電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定，并且無負(fù)面影響。

32實(shí)時(shí)性能

仿真平臺(tái)利用最新分布式仿真和PC集群技術(shù)將設(shè)計(jì)系統(tǒng)分為六個(gè)部分，進(jìn)而減輕整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，六個(gè)部分分別運(yùn)行于六個(gè)CPU與三臺(tái)PC機(jī)上，同一PC機(jī)內(nèi)的CPU經(jīng)內(nèi)存共享進(jìn)行通信，而不同PC機(jī)之間經(jīng)IEEE1394進(jìn)行高速和低延時(shí)互連。將整個(gè)系統(tǒng)在無I/O的，步長為30us的硬實(shí)時(shí)仿真下，結(jié)果顯示，基于RT-LAB仿真平臺(tái)的硬實(shí)時(shí)仿真與Windows操作系統(tǒng)Simulink/SPS環(huán)境下離線仿真相比，加速比為240倍。

4結(jié)論

在雙饋并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)上進(jìn)行矢量控制是一項(xiàng)非常重要的研究工作，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全面精細(xì)化的基礎(chǔ)?；赗T-LAB分布式實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)搭建的雙饋異步電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)的進(jìn)行多方位的仿真研究，而其矢量控制策略也簡(jiǎn)單可靠，具有可靠的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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