基于CompactRIO的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)背靠背變流器

吳華波，盧祖安，李佳澤

（廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點實驗室（廣西大學(xué)），廣西南寧530004）

基于CompactRIO的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)背靠背變流器

吳華波，盧祖安，李佳澤

（廣西電力系統(tǒng)最優(yōu)化與節(jié)能技術(shù)重點實驗室（廣西大學(xué)），廣西南寧530004）

采用FPGA、DSP作為控制核心的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實驗裝置由于底層編程技術(shù)門檻較高，在科學(xué)研究過程中，一些先進(jìn)的控制算法很難在此類設(shè)備上進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換。提出采用一種速度更快，編程技術(shù)門檻更低的CompactRIO虛擬儀器設(shè)備作為控制核心的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的背靠背變流器設(shè)計方案。基于該變流器，研究人員只需采用簡單易學(xué)的圖形化編程技術(shù)即可方便地將已經(jīng)通過數(shù)字仿真驗證的控制算法轉(zhuǎn)換為變流器的底層控制程序，從而實現(xiàn)控制算法的物理驗證。實驗結(jié)果表明，基于該方案設(shè)計的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組背靠背變流器，可以實現(xiàn)對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的精準(zhǔn)、快速地控制。關(guān)鍵詞：虛擬儀器雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)背靠背變流器實驗裝置

近年來風(fēng)能的開發(fā)利用越發(fā)受到重視，廉價的風(fēng)能在綠色能源中所占比重也越來越大，然而我國風(fēng)力發(fā)電技術(shù)起步較晚，在一定程度上制約了這種新型能源的發(fā)展[1]，因此對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究已然成為當(dāng)前的研究熱點。在眾多的變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中，雙饋異步發(fā)電機(jī)（Doubly fed Induction Generator，DFIG）由于變頻容量和體積較小，風(fēng)能利用系數(shù)高，可以改善系統(tǒng)功率因數(shù)等優(yōu)點，成為了現(xiàn)代風(fēng)電場中的主力機(jī)型，且該機(jī)型的控制研究課題也得到了科研人員的廣泛關(guān)注。

科研人員進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電控制技術(shù)研究時，通常是采用數(shù)字仿真的方式進(jìn)行，然而在數(shù)字仿真過程中，由于忽略了很多因素，其仿真結(jié)果與實際系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果仍有一定的差別，即數(shù)字仿真結(jié)果不可能與實際系統(tǒng)完全吻合。因此理論研究成果的推廣運用必須通過真機(jī)的實驗驗證后方能實施，但是由于大多數(shù)風(fēng)電現(xiàn)場較為偏僻，許多因素會影響到驗證實驗的效率，有些實驗甚至無法實現(xiàn)，因而在實驗室搭建風(fēng)力發(fā)電機(jī)模擬裝置顯得尤為必要。

圍繞著風(fēng)力發(fā)電機(jī)實驗裝置的研究和開發(fā)，研究人員做了大量的工作。文獻(xiàn)[2]構(gòu)建了基于FPGA的模擬雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制的測試實驗平臺，利用FPGA的并行處理能力，裝置的控制性能得到了較好的提升，但其編程軟件采用較復(fù)雜的硬件描述語言。文獻(xiàn)[3，4]構(gòu)建了以DSP為控制核心的DFIG模擬發(fā)電實驗平臺。在可靠性要求高的電路驅(qū)動方面以及控制的實時性方面DSP雖然不如FPGA，但其超強(qiáng)的信號處理能力卻適合于復(fù)雜的控制算法。利用FPGA及DSP為核心搭建實驗平臺的優(yōu)缺點各異，但兩者共同缺點是底層代碼編程工作量大，對研究人員的編程能力要求較高，因而分散了研究人員的精力，影響了理論成果的轉(zhuǎn)化效率。

近年來，集成了FPGA及高速工業(yè)處理器的嵌入式的虛擬儀器得到了快速發(fā)展。由于虛擬儀器采用簡單易學(xué)的圖形化的編程語言，運用這種嵌入式虛擬儀器搭建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組科研實驗平臺，既能保證控制性能，又能使科研人員從繁瑣的底層代碼編程中解放出來，將更多精力專注于更多、更先進(jìn)的控制算法研究?；诖?，本文提出一種以嵌入式虛擬儀器作為控制核心的DFIG背靠背變流器設(shè)計方案。并將所研制的變流器運用于DFIG實驗裝置，驗證方案的有效性。

1 DFIG實驗裝置及背靠背變流器硬件設(shè)計

1.1 DFIG實驗裝置系統(tǒng)框圖

圖1為DFIG實驗裝置系統(tǒng)框圖。系統(tǒng)分風(fēng)力機(jī)模擬裝置、DFIG及其控制系統(tǒng)兩部分。

圖1DFIG實驗裝置系統(tǒng)框圖

1.1.1 風(fēng)力機(jī)模擬系統(tǒng)

風(fēng)力機(jī)部分由一臺直流電動機(jī)及其轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)構(gòu)成，用于模擬不同風(fēng)速條件下風(fēng)力機(jī)的出力。該部分的主要工作原理是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的風(fēng)速及機(jī)組的實時轉(zhuǎn)速，輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，拖動DFIG旋轉(zhuǎn)發(fā)電。該部分不屬本文的研究重點，詳細(xì)的結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)矩控制原理在此不再贅述。

1.1.2 DFIG及其控制系統(tǒng)

DFIG由定子三相繞組和轉(zhuǎn)子三相繞組組成；DFIG的控制系統(tǒng)實質(zhì)上是圖1中的背靠背變流器，由結(jié)構(gòu)相同的兩個變流器經(jīng)直流母線串聯(lián)組成，負(fù)責(zé)機(jī)組的變速恒頻發(fā)電控制。

DFIG的定子經(jīng)并網(wǎng)開關(guān)與電網(wǎng)相連，向電網(wǎng)輸送功率；轉(zhuǎn)子的三相交流勵磁電源由接在電網(wǎng)側(cè)的勵磁變壓器供給；由網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器組成的背靠背變流器作為DFIG的控制系統(tǒng)，將勵磁變壓器送來的三相交流電源經(jīng)網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行整流，然后再由轉(zhuǎn)子側(cè)變流器逆變成三相電壓、相位、頻率均可調(diào)節(jié)的三相交流勵磁電源，對DFIG實施變速恒頻發(fā)電及有功無功功率解耦控制。

由上述分析可知，背靠背變流器是DFIG發(fā)電系統(tǒng)中最重要的控制部分。風(fēng)電場中，對DFIG實施的最大風(fēng)能功率追蹤控制以及限功率運行控制等算法均在背靠背變流器的控制系統(tǒng)中實現(xiàn)，因此設(shè)計一款底層控制代碼編程較為簡單的背靠背變流器對提高科研人員的工作效率尤為重要。

1.2 背靠背變流器硬件結(jié)構(gòu)

背靠背變流器的主電路是由兩個在結(jié)構(gòu)上完全一樣的兩電平電壓型三相PWM變流器經(jīng)直流母線連接起來的，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)側(cè)變流器經(jīng)電抗器L后，通過勵磁變壓器連接至電網(wǎng)，而轉(zhuǎn)子側(cè)變流器則直接接至轉(zhuǎn)子繞組。

圖2 背靠背變流器主電路硬件結(jié)構(gòu)

1.2.1 CompactRIO控制器

變流器控制部分選用的是美國國家儀器公司（National Instruments，NI）生產(chǎn)的單板式CompactRIO嵌入式控制器（以下簡稱CompactRIO）。該控制器在一塊印刷電路板上集成了各種核心組件：400 MHz處理器、FPGA和各種I/O。這樣的集成在降低成本的同時，維持了可重新配置I/O架構(gòu)的優(yōu)勢?？刂破鞑捎肔abVIEW-FPGA及圖形化編程工具，可通過自定義定時、在線處理和高級控制，輕松定制硬件和I/O.用戶還可借助LabVIEW Real-Time模塊，創(chuàng)建穩(wěn)定可靠的面向浮點處理、數(shù)據(jù)記錄和網(wǎng)絡(luò)通信的嵌入式應(yīng)用程序。

1.2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器

轉(zhuǎn)子側(cè)變流器實質(zhì)上是一臺逆變器，主要作用是將直流母線上的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，作為DFIG的勵磁電源。

圖3為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的硬件結(jié)構(gòu)框圖。運行時，CompactRIO通過采集控制算法所必需的定子電壓Uabcs、轉(zhuǎn)子電壓Uabcr、定子電流Iabcs、轉(zhuǎn)子電流Iabcr，電網(wǎng)電壓Uabc等模擬量以及反映DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和位置的旋轉(zhuǎn)編碼器信號，經(jīng)控制算法解算后輸出三相PWM波形，控制逆變橋輸出頻率、幅值和相位可調(diào)的三相交流電，即可實現(xiàn)空載時的變速恒頻發(fā)電和并網(wǎng)時的有功、無功解耦控制。為了實現(xiàn)DFIG隨風(fēng)速大小的切入與切出控制，轉(zhuǎn)子側(cè)變流器需要對并網(wǎng)開關(guān)進(jìn)行控制，因此，CompactRIO通過開關(guān)量輸出接口DO對開關(guān)進(jìn)行控制，同時通過開關(guān)量輸入口采集并網(wǎng)開關(guān)的輔助接點信號，以識別并網(wǎng)開關(guān)當(dāng)前狀態(tài)。變流器所采集的所有信號量均經(jīng)過相應(yīng)的信號調(diào)理電路后才能與CompactRIO的輸入口匹配，而所有輸出口輸出的信號也必須經(jīng)過驅(qū)動放大電路后方能與外部連接。

圖3 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

變流器的硬件分上下兩層布置，圖4所示為變流器內(nèi)部安裝圖。其中圖（a）為底層安裝圖，圖（b）為頂層安裝圖。圖4中，1、2為電壓電流信號調(diào)理電路；3為PWM功率放大電路；4為智能功率模塊（Intelligent Power Module，IPM），一塊IPM即是一個三相PWM變流器；5為IPM過電壓保護(hù)電路；6為開關(guān)量輸入輸出電路與編碼器脈沖調(diào)理電路；7為CompactRIO.這7部分分層安裝在同一個控制箱中。圖5為背靠背變流器及裝置組屏圖。

圖4 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器內(nèi)部安裝圖

圖5 背靠背變流器及裝置組屏圖

1.2.3 網(wǎng)側(cè)變流器

網(wǎng)側(cè)變流器主要作用是將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能，為轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的逆變控制提供電壓穩(wěn)定的直流電源。圖6為網(wǎng)側(cè)變流器的硬件結(jié)構(gòu)框圖，其基本結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)子側(cè)相同，所不同的是模擬量采集的信號僅有電網(wǎng)電壓Uabc、電流Iabc、直流母線Udc、直流電流Idc，同時少了并網(wǎng)開關(guān)的控制功能，因此其硬件及控制結(jié)構(gòu)相對簡單。

圖6 網(wǎng)側(cè)變流器的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2 背靠背變流器控制策略

2.1 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

網(wǎng)側(cè)變流器的控制指標(biāo)有三個，一是維持直流母線電壓的穩(wěn)定；二是控制輸入功率因數(shù)；三是保持輸入電流正弦。在電網(wǎng)電壓恒定的情況下，對直流母線電壓的控制實際上就是對輸入電流有功分量的控制；對功率因素的控制即是對輸入電流無功分量的控制；輸入電流的波形是否正弦與PWM調(diào)制方式以及電流控制的有效性有關(guān)。

網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型經(jīng)坐標(biāo)變換與電網(wǎng)電壓定向，可得式（1）所示的交流側(cè)電壓表達(dá)式[5]。

其中，ugd、ugq、id、iq分別為交流側(cè)三相電壓uga、ugb、ugc，交流側(cè)三相輸入電流ia、ib、ic在dq軸的電壓、電流分量；ud為電網(wǎng)電壓的d軸分量；Lg為輸入電感；Rg為輸入電阻；ω1為電網(wǎng)同步角速度。

由式（1）可知，id、iq受ugd、ugq，電流交叉耦合項ω1Lgiq、ω1Lgid，電壓降Rgid、Rgiq以及ud四個因素影響。為了消除上述四個因素帶來的控制靜差，實現(xiàn)對id、iq的有效控制，可引入PI控制器，設(shè)計如下電流控制器

根據(jù)式（2）、（3）即實現(xiàn)了d、q軸電流的解耦控制。電壓環(huán)控制器也可采用類似式（2）的控制方式來設(shè)計。

則可得基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略，如圖7所示。

圖7 基于電網(wǎng)電壓定向的網(wǎng)側(cè)變流器控制策略

2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制策略

2.2.1 空載并網(wǎng)控制策略

DFIG空載時，定子側(cè)的各電流分量均為零，可得DFIG空載時的數(shù)學(xué)模型為[6]

式中，uds、uqs、udr、uqr、ids、iqs、idr、iqr分別為定轉(zhuǎn)子電壓、電流的dq軸分量；ψds、ψqs、ψdr、ψqr分別為定轉(zhuǎn)子磁鏈的dq軸分量；Lm、Lr分別為定轉(zhuǎn)子的互感和轉(zhuǎn)子自感；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；ωs為轉(zhuǎn)差角速度；d為微分算子。

在定子磁鏈定向以及忽略定子繞組電阻的情況下，可得以下關(guān)系[7]

式中，u1為定子相電壓幅值；ψ1為定子磁鏈?zhǔn)噶糠怠?/p>

因此，得到DFIG空載并網(wǎng)控制原理，如圖8所示。

圖8 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器空載并網(wǎng)控制策略

2.2.2 并網(wǎng)運行控制策

在dq坐標(biāo)系中，DFIG定子輸出功率為[8]

經(jīng)定子磁鏈定向后，輸出功率為

DFIG在dq坐標(biāo)系下的定子磁鏈方程、轉(zhuǎn)子磁鏈方程經(jīng)定子測量定向后，可改寫為[8]

式中，Rr、Lr分別為轉(zhuǎn)子電阻與電感；Ls為定子自感；udr、uqr、idr、iqr分別為轉(zhuǎn)子電壓電流在dq軸的分量。令

則有

式（11）即為實現(xiàn)DFIG有功無功功率解耦控制的轉(zhuǎn)子分量電壓表達(dá)式。將u進(jìn)行解算得出PWM調(diào)制指令，從而控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)子交流勵磁電流，實現(xiàn)DFIG的功率控制，控制策略如圖9所示。

圖9 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器功率控制策略

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 實驗方案

為驗證設(shè)計和研發(fā)的背靠背變流器在DFIG實驗裝置中的控制效果，令轉(zhuǎn)速由亞同步到超同步之間線性變化，測試機(jī)組各電氣量在不同轉(zhuǎn)速下的波形及過渡過程。測試結(jié)果如圖10~11所示。

圖10 不同轉(zhuǎn)速條件下的勵磁電流ir與定子電壓us

圖11 變速下定子電壓usa與電網(wǎng)電壓uga

3.2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)DFIG變速恒頻運行原理可知，當(dāng)DFIG轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變化時，要使DFIG保持變速恒頻運行，那么必須通過控制轉(zhuǎn)子側(cè)變流器，使變流器輸出相應(yīng)頻率的交流勵磁電流，以保持轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場以同步速旋轉(zhuǎn)。圖10（a-c）所示為電機(jī)在亞同步、同步以及超同步轉(zhuǎn)速下空載運行時，轉(zhuǎn)子一相勵磁電流與定子一相電壓的波形。圖10（d）所示為轉(zhuǎn)子在上述三種轉(zhuǎn)速下勵磁電流的過渡過程波形。

分析圖10可知：當(dāng)電機(jī)從亞同步運行狀態(tài)過渡到同步運行狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子交流勵磁電流頻率開始減小，直到同步運行狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子勵磁電流變?yōu)橹绷?；從同步運行狀態(tài)過度到超同步運行狀態(tài)時，轉(zhuǎn)子勵磁電流頻率由零開始增大，但相序發(fā)生了變化；定子電壓的幅值與頻率在轉(zhuǎn)速變化過程中仍保持不變，說明在上述控制策略及硬件的控制下，實現(xiàn)了對DFIG的變速恒頻控制。

圖11為空載并網(wǎng)時，在轉(zhuǎn)速變化的工況下，DFIG定子電壓與電網(wǎng)電壓的波形，從圖中可以看出，即使在轉(zhuǎn)速變化的工況下，定子電壓也能快速地實現(xiàn)對電網(wǎng)電壓相位、頻率、幅值的跟蹤，且電壓誤差在允許范圍內(nèi)。說明在轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的控制下，實現(xiàn)了DFIG的柔性并網(wǎng)，可進(jìn)行并網(wǎng)操作。

由于并網(wǎng)后的功率信號在控制器內(nèi)部計算得出，無法通過示波器進(jìn)行監(jiān)測，因此本文沒有給出并網(wǎng)后的波形。

4 結(jié)論

針對現(xiàn)有基于FPGA或DSP研制的背靠背變流器所搭建的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實驗裝置，存在底層代碼編程復(fù)雜，不便用于需要反復(fù)進(jìn)行底層代碼編程的控制算法研究。本文提出了一種以虛擬儀器作為控制核心的背靠背變流器設(shè)計方案，其圖形化的編程方式，降低了實驗裝置的代碼編程難度，提高了科研人員的工作效率。實驗結(jié)果表明，基于CompactRIO研制的背靠背變流器完全能實現(xiàn)對雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制，其控制性能可滿足科研實驗研究的基本要求。

[1]李建林，許洪華.風(fēng)力發(fā)電中的電力電子變流技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2]天津易泰克科技有限公司.雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制器用的測試模擬實驗系統(tǒng)：中國，201610352449.3[P].2016-07-20.

[3]中國科學(xué)院電工研究所.一種變速恒頻風(fēng)力雙饋發(fā)電機(jī)實驗?zāi)M系統(tǒng)：中國,200510086939.5[P].2007-05-30.

[4]哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）.面向控制技術(shù)研究的雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模擬實驗平臺：中國201310310932.1[P].2015-01-21. [5]劉其輝，賀益康，卞松江.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)空載并網(wǎng)控制[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2004，24（3）：6-11.

[6]馬宏偉,許烈，李永東.基于直接虛功率控制的雙饋風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2013，33（3）：99-105. [7]李嵐.雙饋電機(jī)控制技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2014：43-44.

[8]賀益康，胡家兵，徐烈.并網(wǎng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運行控制[M].北京：中國電力出版社，2012：73-78.

DFIG Back to Back Converter Based on CompactRIO

WU Hua-bo，LU Zu-an，LI Jia-ze
（Guangxi Key Laboratory of Power System Optimization and Energy Technology（Guangxi University），Nanning Guangxi 530004，China）

It’s difficult for the bottom of the code coding technology of the use of FPGA or DSP as the control of the core of DFIG experimental device,in the scientific research process,some advanced control algorithm is difficult in such equipment into the code conversion.Using a lower speed,the use of lower threshold CompactRIO virtual instrument as a control of the core of DFIG back-to-back converter design.Based on the controller,the researchers can easily convert the control algorithm which has been verified by digital simulation into the underlying control code of the converter,so as to realize the physical verification of the control algorithm.The experimental results show that the back-to-back converter of DFIG based on the scheme can realize the precise and rapid control.

virtual instrument；DFIG；the back-to-back converter；experimental device

TM743

A

1672-545X（2017）06-0134-06

2017-03-02

吳華波（1992-），男，江西贛州人，碩士研究生，主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；盧祖安（1987-），男，廣西玉林人，碩士研究生，主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)；李佳澤（1995-），男，江蘇鹽城人，本科生，主要研究方向為風(fēng)力發(fā)電技術(shù)。