基于半實(shí)物仿真的風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)

潘春鵬，郝正航(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

風(fēng)能是一種清潔的可再生能源，風(fēng)力發(fā)電是風(fēng)能利用的主要形式[1]。一個(gè)完整的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)涉及的專業(yè)知識(shí)包括電機(jī)學(xué)、電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制、電力拖動(dòng)等，而這些知識(shí)對(duì)應(yīng)的是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的重要專業(yè)課。因此，有必要把風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)作為該專業(yè)創(chuàng)新綜合應(yīng)用類課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例[2]。

傳統(tǒng)實(shí)物風(fēng)力發(fā)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能單一，多依托于固定的實(shí)物拓?fù)?，以操作演示為主，缺乏?chuàng)新性與拓展性；而純數(shù)字仿真平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制算法的研究，卻難以培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐的能力。為了實(shí)現(xiàn)學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐與科研多維能力的全面發(fā)展，高校自行研制基于半實(shí)物仿真技術(shù)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，已成為當(dāng)前風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與探索的熱點(diǎn)。

1 風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外對(duì)風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)進(jìn)行了很多的探索，但大多是實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)或純數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。文獻(xiàn)[3]中建設(shè)了以小型永磁同步發(fā)電系統(tǒng)和LabVIEW監(jiān)控系統(tǒng)組成的風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)完整風(fēng)力發(fā)電過程的演示，幫助學(xué)生對(duì)風(fēng)力發(fā)電建立直觀的概念；文獻(xiàn)[4]中通過對(duì)實(shí)際運(yùn)行大型風(fēng)力機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集，配合3D動(dòng)畫技術(shù)，建立了一個(gè)交互式風(fēng)力學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，形象地展示了風(fēng)力發(fā)電的過程，讓學(xué)生學(xué)習(xí)過程充滿趣味性；文獻(xiàn)[5]中建設(shè)了以可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller, PLC)、電機(jī)、風(fēng)機(jī)和蓄電池組成的小型風(fēng)力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生通過調(diào)節(jié)風(fēng)速按鈕，可以觀察風(fēng)力發(fā)電功率曲線的變化，較為形象地展示了風(fēng)力發(fā)電的實(shí)際情況。以上3種風(fēng)力教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)功能都比較單一，主要以操作演示為主。學(xué)生只能對(duì)風(fēng)力發(fā)電的整體過程大致了解，對(duì)少部分原理進(jìn)行簡單驗(yàn)證，學(xué)生參與度低。

文獻(xiàn)[6]中基于德國Lucas-nuelle公司的雙饋風(fēng)力發(fā)電教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一些典型實(shí)驗(yàn)，通過軟硬件結(jié)合模擬風(fēng)機(jī)運(yùn)行，結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助測(cè)量控制，幫助學(xué)生形象理解各種晦澀的理論知識(shí)。通過風(fēng)速模擬、風(fēng)力機(jī)控制、雙饋風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)、雙饋風(fēng)力發(fā)電功率控制與雙饋風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越等實(shí)驗(yàn)操作過程，加深了學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的理解。但由于是采用現(xiàn)成的實(shí)物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，控制器對(duì)學(xué)生是不開放的，學(xué)生無法研究與運(yùn)用最新的控制技術(shù)，實(shí)驗(yàn)過程缺乏創(chuàng)新性與拓展性。

文獻(xiàn)[7]中以MATLAB軟件為基礎(chǔ)，采用模塊化思想，設(shè)計(jì)了一種風(fēng)力發(fā)電仿真平臺(tái)；文獻(xiàn)[8]中基于MATLAB與LabVIEW設(shè)計(jì)了一個(gè)風(fēng)力發(fā)電虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，突破了實(shí)驗(yàn)環(huán)境、場地、儀器設(shè)備等條件的限制，教學(xué)內(nèi)容豐富形象且成本低。雖然純軟件仿真能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和驗(yàn)證控制理論與算法，但較難培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力，學(xué)生對(duì)實(shí)際的控制器也很難有直觀的認(rèn)識(shí)。

總的來說，傳統(tǒng)的實(shí)物和純數(shù)字仿真風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)較難滿足新工科建設(shè)下對(duì)學(xué)生科研能力、創(chuàng)新能力與實(shí)踐能力培養(yǎng)的要求[9-12]。因此，本文面向新工科建設(shè)內(nèi)涵要求[13]，對(duì)風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了探索，研制了一種基于半實(shí)物仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)。

2 建模方案

2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)基礎(chǔ)架構(gòu)采用通用實(shí)時(shí)仿真器(Universal Real-time Experimental Platform, UREP)。UREP是自主研發(fā)的基于模型化的工程設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺(tái)，其基礎(chǔ)構(gòu)架如圖1所示。UREP包括主控計(jì)算機(jī)和實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)機(jī)：主控計(jì)算機(jī)用于離線建模和實(shí)時(shí)監(jiān)控、在線調(diào)參；實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)機(jī)用于運(yùn)行實(shí)時(shí)模型，并與外部設(shè)備接口形成半實(shí)物閉環(huán)系統(tǒng)。目標(biāo)機(jī)包含多核處理器仿真主板、高速通信單元、智能I/O接口單元、協(xié)調(diào)優(yōu)化硬件解算器和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心部分。利用MATLAB/Simulink建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換為C代碼后，編譯下載到實(shí)時(shí)仿真器內(nèi)運(yùn)行，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)字仿真、半實(shí)物仿真及控制、測(cè)量與系統(tǒng)控制等。UREP具有快速控制原型(Rapid Control Prototyping, RCP)、功率級(jí)快速控制原型(Power Rapid Control Prototyping, PRCP)、硬件在環(huán)(Hardware In the Loop, HIL)和功率級(jí)硬件在環(huán)(Power Hardware In the Loop, PHIL)等4項(xiàng)基本功能，仿真步長最短可達(dá)30 μs，完全能夠滿足風(fēng)力發(fā)電仿真與控制裝置研發(fā)一體化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)的基本需求[14]。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)架構(gòu)Fig.1 Infrastructure of experimental platform

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的層次化設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用層次化設(shè)計(jì)思想，如圖2所示，分為離線仿真、實(shí)時(shí)仿真和半實(shí)物仿真等3個(gè)層次。第一層次為離線仿真，是指在PC端實(shí)現(xiàn)功率主系統(tǒng)以及控制算法的建模，并進(jìn)行離線仿真。該層的主要功能是驗(yàn)證風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的整體方案是否可行。第二層次是全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真，是指將離線模型實(shí)時(shí)化后導(dǎo)入U(xiǎn)REP實(shí)時(shí)運(yùn)行。功率主系統(tǒng)和控制器兩部分的模型分別搭建為硬件在環(huán)(HIL)子系統(tǒng)和快速控制原型(RCP)子系統(tǒng)。HIL和RCP均在UREP中運(yùn)行，二者交換的信號(hào)通過UREP的輸入輸出端口實(shí)現(xiàn)連接。該層的主要功能是通過長時(shí)間運(yùn)行(如幾小時(shí)至幾天甚至更長)，驗(yàn)證數(shù)字系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。這是第一層次無法完成的。第三層次是半實(shí)物仿真，是指將RCP子系統(tǒng)模型通過Simulink代碼自動(dòng)生成技術(shù)導(dǎo)入嵌入式開發(fā)平臺(tái)(STX-N39)，使RCP轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際控制器，并對(duì)主系統(tǒng)進(jìn)行控制，驗(yàn)證控制算法在實(shí)際控制中的性能，可以消除在實(shí)際控制中存在的缺陷，并測(cè)試極端情況、故障情況下控制器的功能是否完善。該層的主要功能是培養(yǎng)學(xué)生基于嵌入式平臺(tái)開發(fā)實(shí)際控制器的能力，是半實(shí)物仿真平臺(tái)的最終目標(biāo)。

圖2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的3個(gè)層次Fig.2 Three levels of experimental platform

2.3 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的組成

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場的半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示，由UREP、PC上位機(jī)、嵌入式開發(fā)平臺(tái)(N39控制器)、機(jī)柜等設(shè)備組成。相對(duì)于傳統(tǒng)操作演示型的實(shí)物風(fēng)力教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，控制器對(duì)學(xué)生不再是一個(gè)黑匣子，學(xué)生可以對(duì)各種先進(jìn)的控制算法進(jìn)行研究與運(yùn)用，實(shí)驗(yàn)過程更具有創(chuàng)新性與拓展性。相對(duì)于傳統(tǒng)純數(shù)字風(fēng)力發(fā)電仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真技術(shù)，將控制器硬件納入到仿真回路中進(jìn)行測(cè)試，其仿真效果更趨近真實(shí)情況，仿真結(jié)果更具說服力。并且通過對(duì)實(shí)際控制器的研發(fā)與測(cè)試，學(xué)生可以真正地接觸真實(shí)的硬件，學(xué)習(xí)從理論算法到實(shí)際控制設(shè)備運(yùn)行代碼的轉(zhuǎn)換過程，自己動(dòng)手聯(lián)合軟硬件進(jìn)行調(diào)試，大大提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的參與度。

圖3 半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.3 HIL simulation experiment platform

3 風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)流程設(shè)計(jì)

項(xiàng)目式風(fēng)力發(fā)電控制裝置研發(fā)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)主要分為3個(gè)階段：控制器研發(fā)的理論基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)與貫通階段，控制算法快速驗(yàn)證與創(chuàng)新階段和實(shí)物控制器驗(yàn)證與實(shí)踐能力提升階段。

3.1 控制器研發(fā)的基礎(chǔ)理論驗(yàn)證

本階段主要通過風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的Simulink仿真模型搭建(圖4)，對(duì)風(fēng)力發(fā)電的過程形成整體的認(rèn)識(shí)，融會(huì)貫通風(fēng)力發(fā)電相關(guān)的基礎(chǔ)理論知識(shí)。

如圖4所示，實(shí)驗(yàn)主要包括：風(fēng)輪機(jī)模型搭建實(shí)驗(yàn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)變流器控制實(shí)驗(yàn)，風(fēng)力發(fā)電最大功率追蹤實(shí)驗(yàn)，風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)控制實(shí)驗(yàn)，LVRT電壓跌落測(cè)試實(shí)驗(yàn)。

圖4 Simulink離線仿真模型搭建Fig.4 The building of offline Simulink simulation model

3.2 控制算法快速驗(yàn)證與創(chuàng)新階段

風(fēng)電系統(tǒng)的控制器主要通過嵌入式硬件進(jìn)行開發(fā)，底層代碼大都比較復(fù)雜，對(duì)于編程基礎(chǔ)薄弱的電氣工程專業(yè)學(xué)生很難快速適應(yīng)。為此研制了具有代碼快速轉(zhuǎn)化、調(diào)試簡單的RCP快速原型控制器，大大提高控制器開發(fā)的效率。如圖5所示，將第一階段搭建的控制算法模型與功率主電路模型分別導(dǎo)入RCP與UREP中運(yùn)行，進(jìn)行RCP+HIL半實(shí)物仿真閉環(huán)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，利用先進(jìn)的半實(shí)物仿真技術(shù)快速驗(yàn)證所搭建的控制算法的有效性。然后學(xué)生根據(jù)自己想法對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化，不斷試錯(cuò)，不斷驗(yàn)證，快速地對(duì)控制算法進(jìn)行創(chuàng)新。

圖5 RCP+HIL兩個(gè)半實(shí)物仿真閉環(huán)測(cè)試Fig.5 Two closed loop tests of RCP + HIL

3.3 實(shí)物控制器驗(yàn)證

如圖6所示，首先在STX-N39控制器中刷入U(xiǎn)buntu系統(tǒng)，然后利用Simulink代碼自動(dòng)生成技術(shù)將控制算法模型轉(zhuǎn)化為C代碼，并將代碼移植到控制器中，同時(shí)也需要學(xué)會(huì)電壓電流數(shù)據(jù)如何采集、PWM脈沖如何產(chǎn)生等硬件知識(shí)。最后將實(shí)際的控制器與實(shí)時(shí)仿真器連接，對(duì)控制器進(jìn)行硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試，真正地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)學(xué)研一體化。

圖6 實(shí)際控制器的硬件在環(huán)測(cè)試Fig.6 Hardware in the loop test of the real controller

LVRT電壓跌落測(cè)試：

電壓跌落時(shí)，永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的主要問題是輸出功率不平衡引起的直流母線電壓上升，可通過儲(chǔ)存或消耗多余能量的方法，解決功率平衡問題，抑制沖擊壓[15]。采用Chopper電路實(shí)現(xiàn)LVRT，對(duì)直流電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。當(dāng)直流電壓超過限值2 000 V時(shí)，觸發(fā)Chopper中的IGBT，泄放直流母線的能量。

初始風(fēng)速為0，在0.01 s跳變到8 m/s；0.2 s交流斷路器合閘，開始并網(wǎng)運(yùn)行；0.3 s風(fēng)速跳變到12 m/s；0.5 s交流電壓跌落到0.2 pu，持續(xù)625 ms；1.5 s仿真結(jié)束。

如圖7所示，0.2 s前，斷路器兩側(cè)電壓Vabc_g與Vabc_g1已基本重合，此時(shí)合閘，由圖8看到其沖擊電流很小。

圖7 斷路器兩側(cè)電壓Fig.7 Voltage on both sides of the circuit breaker

圖8 電網(wǎng)側(cè)電流Fig.8 Grid side current

如圖9所示，0.5 s交流電壓跌落時(shí)，直流母線電壓急劇上升，此時(shí)Chopper電路被觸發(fā)，將Vdc限制在2 000 V左右，并且可持續(xù)625 ms運(yùn)行，滿足LVRT測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 直流母線電壓Fig.9 DC bus voltage

4 結(jié)語

依托自主研發(fā)的UREP構(gòu)建了新型風(fēng)力發(fā)電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將教學(xué)-科研-裝置研發(fā)有機(jī)結(jié)合起來。通過項(xiàng)目式學(xué)習(xí)，讓學(xué)生學(xué)會(huì)利用全局工程意識(shí)來統(tǒng)籌多門學(xué)科的知識(shí)，學(xué)習(xí)重心由課本知識(shí)轉(zhuǎn)移到了個(gè)人能力。通過實(shí)際裝置的研發(fā)，讓學(xué)生了解了企業(yè)電力系統(tǒng)自動(dòng)化裝備的開發(fā)流程，實(shí)現(xiàn)了由知識(shí)傳授向企業(yè)所需的職業(yè)能力過渡。