可模擬繞組內(nèi)部故障的雙饋風(fēng)力發(fā)電半實(shí)物實(shí)時仿真平臺

魏書榮, 王 健, 張 路, 高 瑾, 黃蘇融

(1. 上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090； 2. 上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

可模擬繞組內(nèi)部故障的雙饋風(fēng)力發(fā)電半實(shí)物實(shí)時仿真平臺

魏書榮1, 王 健1, 張 路1, 高 瑾2, 黃蘇融2

(1. 上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院，上海 200090； 2. 上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(DFIG)系統(tǒng)控制復(fù)雜，離線仿真與傳統(tǒng)全實(shí)物的故障試驗(yàn)存在一定局限性。在控制功能強(qiáng)大的MATLAB/Simulink環(huán)境下構(gòu)建基于dSPACE1007系統(tǒng)的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)半實(shí)物實(shí)時仿真平臺，解決可模擬繞組內(nèi)部故障的實(shí)物電機(jī)、dSPACE與Simulink軟件三方聯(lián)調(diào)時的數(shù)據(jù)接口與控制問題。試驗(yàn)結(jié)果表明，該平臺在DFIG定、轉(zhuǎn)子匝間短路故障工況下，通過Control Desk界面可靈活改變控制參數(shù)及算法，實(shí)現(xiàn)電機(jī)繞組內(nèi)部故障狀態(tài)下的容錯運(yùn)行，為DFIG故障檢測和容錯控制研究提供硬件平臺。

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)； 繞組內(nèi)部故障； 半實(shí)物實(shí)時仿真

0 引 言

雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Doubly Fed Induction Generator,DFIG)是目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)主要機(jī)型之一，定、轉(zhuǎn)子均可以與電網(wǎng)交換能量，兼具同步發(fā)電機(jī)和異步發(fā)電機(jī)特性，具有功率靈活可調(diào)、變頻器功率小等優(yōu)點(diǎn)。同時，復(fù)雜的控制策略以及惡劣的運(yùn)行環(huán)境也使其故障頻發(fā)[1-2]。對于有現(xiàn)場調(diào)試需求的風(fēng)電場來說，受現(xiàn)場條件限制，尤其是環(huán)境惡劣的深遠(yuǎn)海大型風(fēng)電場，其現(xiàn)場調(diào)試極其困難。復(fù)雜多變的現(xiàn)場環(huán)境、高昂的維修費(fèi)用以及大量的人力和時間需求制約著雙饋風(fēng)力系統(tǒng)研究的發(fā)展。因此，構(gòu)建可模擬繞組內(nèi)部故障的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)半實(shí)物仿真平臺具有重要意義。

雙饋風(fēng)力發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)可分為離線式仿真、半實(shí)物仿真及全實(shí)物試驗(yàn)系統(tǒng)。離線式仿真對硬件要求極低，單臺PC機(jī)即可做到，如常用的離線仿真軟件MATLAB/Simulink、PSCAD和PSIM等。離線式仿真成本低廉，控制策略調(diào)試方便，但其存在兩大缺點(diǎn)：(1)離線仿真不具備實(shí)時性；(2)離線仿真中電機(jī)、控制器、故障區(qū)域等模塊與實(shí)物有誤差，難以做到精確模擬。文獻(xiàn)[3]構(gòu)建了全實(shí)物電機(jī)交流調(diào)速試驗(yàn)平臺，主要以DSP芯片、單片機(jī)或PLC等控制器為核心。這類雙饋電機(jī)模擬系統(tǒng)可以通過相應(yīng)的代碼實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的靈活控制，滿足了實(shí)時性的要求，但是目前未見可模擬繞組內(nèi)部故障的試驗(yàn)平臺。

半實(shí)物仿真系統(tǒng)中電機(jī)、控制器、故障區(qū)域等設(shè)備皆可以為工程實(shí)際設(shè)備，控制算法通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)，既可實(shí)現(xiàn)實(shí)物反饋信號，又可以實(shí)時觀測系統(tǒng)的參數(shù)變化，電機(jī)、控制器等在時間上處于同步狀態(tài)，數(shù)據(jù)更具真實(shí)性[4]；還能通過設(shè)置故障保護(hù)避免實(shí)際發(fā)生故障可能帶來的毀滅性災(zāi)難。相比離線式和全實(shí)物試驗(yàn)系統(tǒng)，半實(shí)物仿真系統(tǒng)優(yōu)勢明顯。半實(shí)物仿真分為快速控制原型(Rapid Control Prototype,RCP)和硬件在環(huán)系統(tǒng)(Hardware in the Loop,HIL)。RT-Lab、RTDS在半實(shí)物實(shí)時仿真系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用，但其價格昂貴，一套設(shè)備動輒百萬元以上。dSPACE作為虛擬控制器與實(shí)物電機(jī)相連構(gòu)成RCP，也可以作為虛擬電機(jī)與控制器連接構(gòu)成HIL。其價格相比RT-Lab、RTDS等便宜，與MATLAB軟件的無縫接口使其無需復(fù)雜的算法代碼開發(fā)，具有良好的可操作性，系統(tǒng)搭建成本低，算法開發(fā)周期短，已逐步應(yīng)用于電力驅(qū)動系統(tǒng)[5-7]。

本文在MATLAB/Simulink環(huán)境下構(gòu)建基于dSPACE1007的DFIG半實(shí)物仿真平臺。建立轉(zhuǎn)子側(cè)與網(wǎng)側(cè)變頻器控制模型，在線對電機(jī)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、信號采樣,并對控制算法或參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)整；可用于電機(jī)性能、算法控制效果測試，有效降低雙饋電機(jī)在繞組內(nèi)部故障狀態(tài)下容錯運(yùn)行可能存在的技術(shù)風(fēng)險和經(jīng)濟(jì)成本。

1 DFIG系統(tǒng)

DFIG系統(tǒng)通常采用雙PWM變頻器背靠背結(jié)構(gòu)，如圖1所示。轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)能跟蹤和電機(jī)定子側(cè)功率因數(shù)控制，以及風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制等功能。網(wǎng)側(cè)變頻器主要用于保持直流環(huán)節(jié)電壓恒定，在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)控制[8]。因此，雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行性能的關(guān)鍵在于背靠背式變頻器的控制。以矢量控制為代表的線性解耦控制在DFIG系統(tǒng)的應(yīng)用已趨于成熟，矢量控制是基于矢量定向原理，通過坐標(biāo)變換，將電機(jī)模型解耦為磁通和轉(zhuǎn)矩兩個獨(dú)立的子系統(tǒng)，對耦合信號進(jìn)行補(bǔ)償解耦，使電機(jī)受解耦的電流控制，其調(diào)速性能等效為直流電機(jī)[9]。

圖1 DFIG變速恒頻發(fā)電系統(tǒng)

圖2 DFIG系統(tǒng)控制策略

2 dSPACE-Simulink模型接口

dSPACE1007提供豐富的Real-Time Interface (RTI)模塊，實(shí)現(xiàn)了dSPACE硬件系統(tǒng)和MATLAB/Simulink的無縫銜接。RTI對MATLAB/Simulink庫進(jìn)行擴(kuò)展，可完成各個I/O口的設(shè)置，無需復(fù)雜的代碼編程[12]。建模過程中將原有MATLAB離線模型中虛擬單元采用RTI替換，運(yùn)行時則可獲取實(shí)時電機(jī)控制參數(shù)。MATLAB的Real-Time Workshop(RTW)模塊，將Simulink模型描述成硬件識別的C代碼，從而形成以dSPACE為核心的快速控制原型半實(shí)物仿真系統(tǒng)。

首先建立頂層控制模塊，如圖3所示。

圖3 頂層控制模塊

圖3中DS5202ACMC PWM SYNCHRONOUS INTERRUPT(DPSI)模塊輸出觸發(fā)信號，周期為0.000 1 s，決定了系統(tǒng)運(yùn)行的最高頻率為10 000 Hz。DS5202ACMC SETUP模塊為整個模型的使能信號輸入。將控制算法模型建立在trigger subsystem中，如圖3中的Control模塊，其觸發(fā)信號由DPSI提供。

如圖4所示，控制算法建模需要的RTI模塊主要包括PWM數(shù)字信號輸出模塊，速度測量模塊，電壓、電流模擬量采樣模塊。控制算法原理參照圖2。

圖4 Simulink建?？驁D

(1) PWM數(shù)字信號輸出模塊。dSPACE將計算出的PWM數(shù)字信號分別經(jīng)硬件接口輸出到IGBT。其中轉(zhuǎn)子PWM脈沖輸出模塊為DS5202ACMC SINE COMMUTATION，如圖5(a)所示。端口PWM Frequency設(shè)定控制系統(tǒng)的運(yùn)行頻率，由于DPSI模塊決定了系統(tǒng)的時鐘周期為0.000 1 s，所以其值必須被10 000整除,調(diào)試時一般設(shè)為5 000。端口Duty A、B、C分別為轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器三相橋臂上IGBT的占空比，輸入值范圍為0～1，防止同一橋臂IGBT直通的死區(qū)時間設(shè)為5 μs。dSPACE將該三個信號取反送入三相橋臂下開關(guān)管，因此只需發(fā)送3路PWM信號。網(wǎng)側(cè)PWM占空比輸出模塊為DS5202 ACMC EXTENDED SINE COMMUTATION，如圖5(b)所示。

圖5 PWM輸出模塊

(2) 速度測量模塊。增量式光電編碼器信號對應(yīng)的RTI接口為如圖6所示的DS5202ACMC INCR ENCODER INPUT?？刂茣r需監(jiān)測電機(jī)轉(zhuǎn)速以及計算轉(zhuǎn)差角度，選用第二通道Rotor Position 和第四通道Derivative Velocity，其輸出分別為轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角度和轉(zhuǎn)子電轉(zhuǎn)速。光電編碼器為2 500線即每轉(zhuǎn)2 500個脈沖，Z信號對應(yīng)轉(zhuǎn)子電角度經(jīng)檢測為274°，在模塊中需預(yù)先設(shè)置。

圖6 轉(zhuǎn)速測量RTI模塊

(3) 電壓、電流模擬量采樣模塊。dSPACE采用DS2004 ADC模擬硬件接口，如圖7所示。

圖7 模擬量采樣RTI模塊

以電流采樣為例說明原理。關(guān)于電流采樣，硬件上經(jīng)過電流傳感器(如LEM)。電流傳感器的實(shí)際輸出電壓設(shè)為Ulem，與實(shí)測電流i的關(guān)系如式(1)所示。

(1)

dSPACE模擬信號采樣輸出模塊電壓設(shè)為Uadc。若選擇滿量程為±5 V，則可以得到推導(dǎo)出電流與采樣電壓之間的關(guān)系，如式(2)和式(3)所示。其中：a為電流傳感器零偏置，即電流為零時的LEM輸出電壓；b為線性比例系數(shù)。因此，運(yùn)行控制策略前，應(yīng)設(shè)置對應(yīng)的偏置bias與比例系數(shù)gain，使其采樣數(shù)值與實(shí)際值相符。

(2)

(3)

上述RTI模塊結(jié)合MATLAB/Simulink電力系統(tǒng)模型庫及其他元件庫，搭建DFIG并網(wǎng)控制策略基本框圖。

3 dSPACE-Control Desk調(diào)試

dSPACE仿真系統(tǒng)的Control Desk軟件為模型參數(shù)調(diào)試提供友好的操作界面。將MATLAB/Simulink編譯生成的*.sdf文件導(dǎo)入Control Desk中，設(shè)置調(diào)試頁面，可以實(shí)時訪問和修改系統(tǒng)模型的各項(xiàng)參數(shù)。

調(diào)試時的虛擬儀表結(jié)構(gòu)圖如圖8所示，系統(tǒng)運(yùn)行前，引入系統(tǒng)參數(shù)虛擬儀表，儀表有多種分類，根據(jù)所需監(jiān)測修改的參數(shù)設(shè)置儀表，如電流波形采用時間繪圖儀，而轉(zhuǎn)速等模塊選用圓形儀表盤，特定數(shù)值給定選用數(shù)字輸入窗口，模型運(yùn)行與停止選用按鈕等。儀表精度，數(shù)值調(diào)整的步長與范圍皆應(yīng)預(yù)先設(shè)置。系統(tǒng)調(diào)試時，分別對轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器和網(wǎng)側(cè)變頻器控制模型單獨(dú)調(diào)試，兩側(cè)調(diào)試成功，最終將Control Desk簡化整合再進(jìn)行系統(tǒng)整體聯(lián)調(diào)，可規(guī)避調(diào)試風(fēng)險，減小調(diào)試難度。

圖8 Control Desk虛擬儀表結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)運(yùn)行時，需實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng)變化。并網(wǎng)過程中，首先起動電機(jī)，調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，待電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行時設(shè)置給定轉(zhuǎn)子d、q軸電流，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓幅值與待并電網(wǎng)電壓幅值相等。此時，打開并網(wǎng)控制的同期表，觀測發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓與待并電壓的相位差，微調(diào)電流給定值，使同期表顯示相位差為零，則可以并網(wǎng)合閘。

4 試驗(yàn)平臺

半實(shí)物仿真平臺包括dSPACE軟硬件系統(tǒng)和DFIG系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

4.1 dSPACE硬件接口

dSPACE1007具有強(qiáng)大的信號處理功能。本試驗(yàn)平臺共提供4個接口，分別是EV1048，DS5202，EV1062，DS2004。各接口功能分配如下：

(1) PWM輸出驅(qū)動信號；

(2) 增量式光電編碼器輸入信號；

(3) 變頻器轉(zhuǎn)子側(cè)和網(wǎng)側(cè)IGBT使能信號；

(4) IGBT報警信號，相位鑒別信號；

(5) 各路模擬信號通道。

4.2 DFIG系統(tǒng)

DFIG系統(tǒng)包括可模擬風(fēng)機(jī)的原動機(jī)、雙饋異步電機(jī)以及控制系統(tǒng)。

采用他勵直流電動機(jī)模擬風(fēng)機(jī)，雙饋異步電機(jī)參數(shù)如表1所示，電機(jī)實(shí)物圖如圖10(a)所示。雙饋異步電機(jī)可以模擬定、轉(zhuǎn)子匝間短路故障。圖10(b)所示為定、轉(zhuǎn)子繞組電氣原理圖。從定、轉(zhuǎn)子中性點(diǎn)往端部，分別引出不同匝數(shù)的抽頭，不同抽頭模擬嚴(yán)重程度不同的故障。如定子繞組中，可以將A1、Y短接模擬定子匝間短路數(shù)為5匝的單相匝間短路故障。若將A1與B1短接，則能夠模擬相間匝間短路故障。

表1 雙饋電機(jī)參數(shù)

控制系統(tǒng)共有5部分，包括模擬風(fēng)力機(jī)控制屏、轉(zhuǎn)子側(cè)變頻器控制屏、網(wǎng)側(cè)變頻器控制屏、測量屏和模擬故障屏。模擬風(fēng)機(jī)控制屏可調(diào)節(jié)風(fēng)速(原動機(jī)轉(zhuǎn)速)模擬不同風(fēng)況。轉(zhuǎn)子側(cè)、網(wǎng)側(cè)和測量屏為DFIG正常并網(wǎng)所需，而故障控制屏可選擇故障種類。試驗(yàn)平臺整體實(shí)物圖如圖10(c)所示。

5 試驗(yàn)結(jié)果

分別在電機(jī)正常并網(wǎng)與匝間短路狀態(tài)下做了半實(shí)物仿真測試。兩種情況下發(fā)電機(jī)均處于亞同步工作狀態(tài)，恒轉(zhuǎn)速n=1 230 r/min，定子電流頻率f1=50 Hz，轉(zhuǎn)子電流頻率f2=9 Hz。

5.1 試驗(yàn)Ⅰ

試驗(yàn)時，DFIG并網(wǎng)線電壓有效值為380 V。正常并網(wǎng)后定、轉(zhuǎn)子電流波形如圖11所示。正常并網(wǎng)后定子波形略有畸變，屬正常波動，轉(zhuǎn)子電流波形正常。

5.2 試驗(yàn)Ⅱ

并網(wǎng)后從故障屏上選擇所需故障端子連接，可以做不同故障演示。定子繞組端子選擇了A1～Y短路系數(shù)為0.046 9，轉(zhuǎn)子繞組端子選擇a2～Y，短路系數(shù)為0.014 3，故障波形如圖12(a)、圖12(c)所示。圖12(b)為定子匝間短路時其短路環(huán)電流。定子匝間短路故障試驗(yàn)時，定子短路電流畸變明顯，短路環(huán)電流幅值較大。轉(zhuǎn)子匝間短路時因短路系數(shù)較小，轉(zhuǎn)子電流變化不明顯。

圖10 DFIG半實(shí)物實(shí)時仿真系統(tǒng)

圖11 并網(wǎng)結(jié)果

圖12 匝間短路試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)波形表明，基于dSPACE1007的DFIG半實(shí)物仿真平臺運(yùn)行狀態(tài)良好，在正常與故障狀態(tài)下，該系統(tǒng)均能夠穩(wěn)定控制電機(jī)并網(wǎng)發(fā)電。

6 結(jié) 語

本文構(gòu)建了基于dSPACE的半實(shí)物實(shí)時仿真平臺，將實(shí)物雙饋故障電機(jī)、實(shí)物變頻器與基于dSPACE的仿真控制系統(tǒng)在控制功能強(qiáng)大的MATLAB軟件平臺上實(shí)現(xiàn)無縫銜接。對dSPACE-Simulink建模使用的RTI接口和Control Desk進(jìn)行說明，能有效完成DFIG背靠背式變頻器控制系統(tǒng)的算法實(shí)現(xiàn)。該半實(shí)物系統(tǒng)可以在正常并網(wǎng)與匝間短路故障兩種狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。Control Desk提供的虛擬儀表界面可實(shí)時訪問變量，在正常、故障等不同運(yùn)行狀態(tài)下，可快速調(diào)整算法參數(shù)。在Simulink中，矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩等現(xiàn)代電機(jī)控制算法皆可以輕松實(shí)現(xiàn)，可反復(fù)研究使用不同控制算法下雙饋發(fā)電系統(tǒng)的容錯能力與性能特征，為后續(xù)雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)繞組內(nèi)部故障檢測、容錯控制算法研究提供數(shù)據(jù)可靠的試驗(yàn)平臺。

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Semi-Substantial Real-Time Simulation Platform of Doubly Fed Wind Generation to Simulate Winding Internal Fault

WEIShurong1,WANGJian1,ZHANGLu1,GAOJin2,HUANGSurong2

(1. College of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China;2. School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

The control of doubly fed induction generator (DFIG) was complicated. Off-line simulation and traditional fullsubstantial fault experiments had their limitations. A semi-substantial real-time platform of doubly fed wind generation based on dSPACE1007 was constructed in the environment of powerful MATLAB/Simulink. Data interface and control of debugging motors with winding faults, dSPACE and Simulink software together were solved. The experimental results indicated that the platform funtion well in the working condition of stator or rotor winding interrnal faults through changing control parameters and algorithms by control Desk, which provided hardware platforms for fault detective and fault tolerance of DFIG.

doubly fed induction gererator (DFIG); winding internal fault; semi-substantial real-time simulation

魏書榮(1980—)，女，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)電優(yōu)化規(guī)劃與故障容錯研究。 王 健(1991—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)楹Ｉ巷L(fēng)力發(fā)電容錯控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)05- 0102- 06

2016 -07 -11