基于RTDS/CBuilder的DFIG通用勵磁控制模型開發(fā)

方 葦，錢珞江，胡玉嵐

（1.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢 430072；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣東廣州 510600）

基于RTDS/CBuilder的DFIG通用勵磁控制模型開發(fā)

方 葦1，錢珞江1，胡玉嵐2

（1.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢 430072；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學研究院，廣東廣州 510600）

基于RSCAD/CBuilder采用自定義編程技術開發(fā)一套雙饋式感應風力發(fā)電機（DEIG）的通用勵磁控制模型。該模型控制策略依據(jù)網(wǎng)側變換器電網(wǎng)電壓定向、轉(zhuǎn)子側變換器定子磁鏈定向矢量控制原理；模型的人機交互界面根據(jù)面向?qū)ο笤O計理念，形成參數(shù)輸入對話框；模型的實時運行程序采用C語言編程技術，并針對信號相位提取、相位斜率計算給出相應的設計方法。本文還以實例對比法對所開發(fā)模型進行了通用性和精確性驗證，結果表明：該模型可便捷地應用于不同系統(tǒng)頻率、功率等級DEIG的RTDS仿真實驗并大幅提高建模效率。

雙饋式感應發(fā)電機；勵磁控制；實時數(shù)字仿真器；自定義元件；人機交互

0　引 言

在風力發(fā)電領域，雙饋式風力發(fā)電機（doublyfed Induction generator，DEIG）是變速恒頻風力發(fā)電的主流機型，其勵磁控制為風力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分［13］。目前，基于實時數(shù)字仿真器（real time digital simulator，RTDS），已有大量針對理想電網(wǎng)電壓條件下DEIG勵磁控制策略的研究，其中網(wǎng)側變換器采用電網(wǎng)電壓、轉(zhuǎn)子側變換器采用定子磁鏈矢量定向控制策略已經(jīng)廣泛應用于工業(yè)試驗［45］。但在風力發(fā)電控制系統(tǒng)投產(chǎn)之前，為了研究DEIG勵磁控制特性，有必要在仿真平臺上構建勵磁控制模型。當針對不同系統(tǒng)頻率、功率等級的DEIG勵磁控制進行建模時，由于控制參數(shù)的不同且所需的元件繁多，勢必會反復地調(diào)整控制模型以及占用過多的硬件資源，從而影響建模效率和仿真規(guī)模。

本文首先依據(jù)網(wǎng)側變換器電網(wǎng)電壓定向、轉(zhuǎn)子側變換器定子磁鏈定向矢量控制的策略，采用CBuilder自定義技術設計DEIG勵磁控制的參數(shù)輸入通用對話框；其次，針對程序設計中獲取0～2π的相位以及計算相位斜率給出相應的解決方法，并提出自定義元件實時運行程序的編寫流程；最后，通過本文所開發(fā)的通用控制模型和RTDS/RSCAD庫元件組合模型進行仿真對比，驗證了該DEIG通用控制模型能夠應用于不同類型的DEIG風力發(fā)電系統(tǒng)。

1　DFIG勵磁控制策略

DEIG采用兩個背靠背的兩電平電壓型PWM變換器進行交流勵磁，其運行控制主要是對網(wǎng)側變換器和轉(zhuǎn)子側變換器的控制。為了保證直流母線電壓的穩(wěn)定和輸入電流正弦，網(wǎng)側變換器一般采取電網(wǎng)電壓定向，由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)組成；轉(zhuǎn)子側變換器采用定子磁鏈定向，通過分別控制轉(zhuǎn)子電流q軸分量、d軸分量以控制定子輸出有功、無功功率，從而實現(xiàn)有功和無功功率的解耦控制［68］。兩側變換器的控制策略如圖1所示。

圖1　DEIG勵磁控制框架

2　DFIG通用勵磁控制模型設計

RTDS/CBuilder是RTDS公司提供的可根據(jù)需要自主開發(fā)自定義元件的一種平臺［9］。用戶所自定義的元件由3個不同后綴的基本文件編譯后生成：.def圖形用戶界面源程序代碼文件、.h用戶輸入?yún)?shù)定義文件和.c實時運行源程序代碼文件。其自定義元件設計流程如圖2所示。

圖2　自定義元件設計流程

2.1模型輸入/輸出通道及參數(shù)定義

在設計自定義元件模型的圖形用戶界面（輸入/輸出通道）過程中，由圖1所知，網(wǎng)側變換器控制需采集的輸入量為三相電網(wǎng)電壓、三相網(wǎng)側IGBT電流、直流母線電壓，轉(zhuǎn)子側為三相定子電壓、三相定子電流、三相轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子位置角。其中轉(zhuǎn)子位置角用于對轉(zhuǎn)子電流進行定子磁鏈定向，可直接從異步電機模型內(nèi)部監(jiān)測，因而當設計自定義模型輸入通道時將其作為輸入量。由于目前條件下自定義開發(fā)的元件只能在大步長系統(tǒng)中運行，所設計的DEIG通用控制模型輸出量為PWM調(diào)制波。

從圖3中可看出，元件的輸入?yún)?shù)均為設備銘牌參數(shù)且其單位采用國際標準。其中：

①網(wǎng)側變換器：

Ereq—系統(tǒng)額定頻率，Hz；

POWERRATED—電機額定容量，MVA；

VACGRID—電網(wǎng)額定電壓，KV；

VSTATARATED—電機定子額定電壓，KV；

LGRID—網(wǎng)側進線電抗器的電感值，H；

VCAPBSAE—直流母線額定電壓，KV；

②轉(zhuǎn)子側變換器：

Ereq—系統(tǒng)額定頻率，Hz；

POWERRATED—電機額定容量，MVA；

VSTATARATED—電機定子額定電壓，KV；

UOPEN_ROTO—轉(zhuǎn)子開路電壓，KV；R_STATOR—定子電阻，Ω；

X_STATOR—定子電抗，Ω；

X_MAGNETIZING—激磁電抗，Ω；

X_ROTOR—轉(zhuǎn)子電抗，Ω。

圖3　模型參數(shù)輸入對話框

2.2實時運行程序

當采用CBuilder對DEIG勵磁控制進行程序編寫時，由于RTDS公司不會開放其元件的源代碼，其運行程序的編寫過程主要存在以下幾個難點：

①為了獲得轉(zhuǎn)差電角速度ωslip，需要計算轉(zhuǎn)子電流參考相位的斜率。由于信號相位在過零點處會發(fā)生階躍，這必然會導致斜率突變，因而必須對斜率階躍點進行處理，如圖4所示。

圖4　RTDS信號相位

段落 true="1">② 由于RTDS中的信號相位處于0～2π范圍內(nèi)，其變化規(guī)律如圖4所示，當設計數(shù)字鎖相環(huán)PLL時有必要對積分后的相位進行處理［10］。

圖5　計算信號相位的斜率

針對難點2，信號相位的變化規(guī)律有兩種方式：0到2π呈正斜率、負斜率變化，如圖5所示。為了保證在不同變化規(guī)律下輸出相位在0～2π范圍內(nèi)，通過引入比較環(huán)節(jié)、選擇開關和檢測積分值的斜率以設計PLL，其中斜率檢測環(huán)節(jié)可參考圖5中方法，信號相位提取的設計思路如圖6所示。

圖6　信號相位的提取

在解決上述兩個設計難點之后，依據(jù)DEIG的控制框架編寫相應的程序，其整體設計流程如圖7所示。DEIG通用控制模型的源程序采用C語言編程技術，其實時運行源程序代碼文件（.c）主要由3段組成：STATIC區(qū)聲稱全局變量，如積分環(huán)節(jié)中需要實時更新的變量或在CODE中數(shù)值保持恒定的變量，且參數(shù)輸入對話框中變量也為全局變量；RAM區(qū)完成全局變量的初始化以及計算；CODE區(qū)實現(xiàn)局部變量聲稱以及主程序的編寫。

在編寫CODE區(qū)的主程序過程中，為了保證所編寫的控制程序能夠應用于不同類型的DEIG，同時也要避免反復調(diào)整控制當中的PI參數(shù)，先對所有采集信號進行標幺化，并將所有PI參數(shù)設為最佳給定數(shù)值。

圖7　DEIG勵磁控制程序設計流程

3　仿真實驗

為了驗證所開發(fā)模型的通用性和精確性，本文針對頻率為50Hz、額定功率為2.0MW的DEIG風力發(fā)電系統(tǒng)，建立兩組勵磁控制模型。一組為由RTDS/RSCAD庫元件組合而成的模型，另一組為基于RTDS/CBuilder所建的DEIG通用控制模型，其風力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

當保證其他控制輸入量不變時，分別在陣風和漸變風模型下對所建兩組勵磁控制模型進行仿真。陣風模型采用初始風速為10m/s，最高風速為14m/s，總共持續(xù)時間為2s；漸變風模型采用初始風速為10m/s，最高風速為13m/s，總共持續(xù)時間為1s。并選取風力發(fā)電系統(tǒng)中兩組控制量作為對比，即直流母線電壓和風力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，如圖8和9所示。為了驗證程序設計當中所采用的相位提取、斜率計算方法的正確性，在仿真過程中監(jiān)測DEIG通用控制模型內(nèi)部的定子磁鏈參考相位和轉(zhuǎn)差電角速度，如圖10和11所示。

表1　2.0MW風力發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖8　陣風條件下直流母線電壓和系統(tǒng)輸出功率仿真波形

圖9　漸變風條件下直流母線電壓和系統(tǒng)輸出功率仿真波形

圖10　陣風條件下轉(zhuǎn)差電角速度和定子磁鏈參考相位

圖11　漸變風條件下轉(zhuǎn)差電角速度和定子磁鏈參考相位

從圖8和9可以看出，在風速突變過程中兩組勵磁控制模型的直流母線電壓和系統(tǒng)輸出功率具有完全相同的變化趨勢。從圖10和11可以看出，自定義所建模型的定子磁鏈參考相位達到了RTDS庫元件相同的仿真效果。雖然自定義模型所得的轉(zhuǎn)差電角速度有些振蕩，但變化趨勢一致且不影響整體控制精度，其振蕩誤差與計算步長有關。

4　結束語

本文基于RTDS/CBuilder所開發(fā)的DEIG通用勵磁控制模型與RTDS/RSCAD庫元件組合模型具有相同控制特性，且主程序設計中所采用的信號相位提取、斜率計算方法達到了庫元件同樣的仿真效果。該通用勵磁控制模型的參數(shù)輸入對話框能夠?qū)崿F(xiàn)在不同系統(tǒng)頻率、功率等級DEIG風力發(fā)電建模過程中參數(shù)的靈活調(diào)整，且C語言運行程序可移植于其他數(shù)字仿真器。

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（責任編輯:楊秋霞）

Development of General Excitation Control Model for DFIG Based on RTDS/CBuilder

EANG Wei1，QIAN Luojiang1，HU Uulan2
（1.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Guangdong Electric Power Research Institute，Guangzhou 510600，China）

In this paper，a set of general excitation control model for doubly-fed induction generator（DFIG）is developed based on RSCAD/CBuilder by using custom programming technology.The model control strategy is determined according to the grid voltage orientation of converter at grid side and the stator flux orientation of converter at rotor side.Based on object-oriented design concept，parameter input dialog box is built on man-machine interactive interface of model.The real-time operation program is compiled with C language and can provide design method for extraction of signal phase and calculation of phase slope.In the end，the versatility and accuracy of the developed model are verified with an example.Results show that the model can be applied to RTDSsimulation experiment with various types of DFIG conveniently and can improve modeling efficiency greatly.

doubly-fed induction generator（DFIG）；excitation control；real time digital simulator；custom component；man-manchine interactive

1007-2322（2015）02-0076-06

A

TM614

2014-05-19

方 葦（1989—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)仿真及其應用，E-mail：fangwei_whu@163.com；

錢珞江（1961—），男，副教授，博士，研究方向為電力系統(tǒng)仿真及其應用；

胡玉嵐（1974—），女，高級工程師，研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護及自動化。

南方電網(wǎng)公司科技項目（K-GD2012-326）