基于RTDS的直驅(qū)風(fēng)機(jī)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)方法

何樸想,郝正航,陳 卓,楊光繞,聶春芳

(貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院,貴州 貴陽(yáng) 550025)

風(fēng)能和太陽(yáng)能在電力系統(tǒng)中的高滲透性導(dǎo)致產(chǎn)生了功率波動(dòng)、次同步振蕩、超同步振蕩甚至高頻振蕩等問(wèn)題,這些穩(wěn)定性問(wèn)題與可再生系統(tǒng)的控制策略密切相關(guān)。因此,增強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組的安全性、穩(wěn)定性以及并網(wǎng)性具有重要意義。研究人員大多使用MATLAB/Simulink、PSS/E、PSCAD仿真軟件對(duì)風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行仿真。由于仿真非實(shí)時(shí),因此不能與實(shí)際控制器和實(shí)時(shí)仿真器直接相連,較難模擬風(fēng)力機(jī)的實(shí)際工程特性,而且對(duì)控制系統(tǒng)結(jié)果驗(yàn)證不夠直觀,也不能使硬件與仿真軟件系統(tǒng)連接形成閉環(huán)。

文獻(xiàn)[1～3]利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(Real-Time Digital Simulator,RTDS)研究風(fēng)電系統(tǒng)的建模與控制策略。文獻(xiàn)[4]在RTDS中搭建風(fēng)電機(jī)組仿真模型,結(jié)合實(shí)際控制器搭建硬件在環(huán)(Hardware-in-the-Loop,HIL)仿真平臺(tái)測(cè)試風(fēng)電機(jī)組的低電壓穿越特性是否滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。文獻(xiàn)[5]通過(guò)搭建微網(wǎng)HIL仿真平臺(tái),研究雙饋風(fēng)電機(jī)組的穩(wěn)態(tài)仿真和步進(jìn)風(fēng)速的動(dòng)態(tài)特性,證明了半實(shí)物仿真平臺(tái)可以用于研究風(fēng)力發(fā)電的物理特性。文獻(xiàn)[6～7]分別提出一種RTDS與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器構(gòu)建的HIL實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái),發(fā)揮了數(shù)字仿真與工程實(shí)際設(shè)備的特點(diǎn),搭建了一種接近實(shí)際工程的仿真平臺(tái),還搭建了符合實(shí)際工程情況的風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。但該研究是針對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)以及風(fēng)電場(chǎng)經(jīng)柔性直流輸電系統(tǒng)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組HIL實(shí)驗(yàn)平臺(tái)具有針對(duì)性和特異性,本文平臺(tái)為通用風(fēng)電機(jī)組HIL仿真平臺(tái),相較傳統(tǒng)風(fēng)電機(jī)組HIL平臺(tái)更具通用性。但該平臺(tái)控制部分具有體積大、不便攜等缺點(diǎn),因此需進(jìn)一步完善通用風(fēng)電機(jī)組HIL仿真平臺(tái)。

本文利用通用風(fēng)電機(jī)組HIL仿真平臺(tái)搭建直驅(qū)風(fēng)機(jī)HIL實(shí)驗(yàn)仿真,并在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究改善風(fēng)力機(jī)輸出特性的優(yōu)化控制。根據(jù)某2.5 MW直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)品參數(shù),在RTDS中搭建了風(fēng)力機(jī)的仿真模型。在理想狀態(tài)下,電網(wǎng)電壓是三相對(duì)稱,但在實(shí)際運(yùn)行中電網(wǎng)電壓常為不平衡或不對(duì)稱。為使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定輸出,本文采用了基于正序和負(fù)序電流解耦算法來(lái)消除負(fù)序電流以保持恒定的輸出功率。最后,通過(guò)HIL實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了方法的合理性和有效性[8]。

1 直驅(qū)風(fēng)機(jī)數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化控制

1.1 數(shù)學(xué)模型

在RTDS中建立直驅(qū)式PMSG(Permanent Magnet Synchronous Generator)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的仿真模型,主要包括風(fēng)速模型、風(fēng)力機(jī)模型、傳動(dòng)系統(tǒng)模型、PMSG模型、變流器模型以及典型控制模型。

1.1.1 風(fēng)力機(jī)模型

風(fēng)力機(jī)的工作原理是將風(fēng)能通過(guò)風(fēng)力機(jī)的葉片被捕獲轉(zhuǎn)化為機(jī)械能被風(fēng)力機(jī)輸送[9]。風(fēng)力機(jī)輸送功率Pm為

(1)

其中,ρ是空氣密度,單位為kg·m-3;R是風(fēng)機(jī)葉輪半徑,單位為m;β是風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片槳距角,單位為°;λ是葉尖速比;ω是風(fēng)力機(jī)葉片的角速度,單位為rad·s-1;V是風(fēng)速,單位為m·s-1。

風(fēng)能利用系數(shù)為Cp反應(yīng)吸收風(fēng)能的效率。

(2)

式中,e為歐拉數(shù)。

由圖1可知,當(dāng)β恒定時(shí),Cp僅在λ等于唯一λm時(shí)取最大值Cpmax。

圖1 風(fēng)能利用系數(shù)Cp曲線Figure 1. Wind energy utilization coefficient Cp curve

變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)可以通過(guò)控制輸出功率使風(fēng)力機(jī)在恒定的λm下運(yùn)行,從而提高風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能轉(zhuǎn)換效率。風(fēng)力機(jī)吸收風(fēng)能后產(chǎn)生的機(jī)械扭矩如式(3)所示。

(3)

1.1.2 PMSG模型

在d、q同步坐標(biāo)系下,PMSG的微分方程模型為

(4)

其中,Φm是同步電機(jī)的固定磁鏈;Ld和Lq分別是同步發(fā)電機(jī)的d、q軸電感;ωs是永磁同步電機(jī)的定子磁鏈角速度。

1.1.3 變流器模型及控制系統(tǒng)

在RTDS中建立了風(fēng)電機(jī)組的背靠背變流器模型,包括整流器和逆變器。RTDS仿真軟件的RSCAD(Real-Time System CAD)模型庫(kù)中包含了PWM(Pulse Width Modulation)變流器模型、Crowbar保護(hù)控制電路[10]和IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模型。RTDS輸入輸出板卡與控制器相連,實(shí)現(xiàn)風(fēng)電機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換以及有功功率和無(wú)功功率的自動(dòng)調(diào)節(jié)。控制器與RSCAD內(nèi)控制模型配合,與發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)相連,包括發(fā)電機(jī)側(cè)變流器控制和網(wǎng)側(cè)變流器控制,其重要功能包括保證供電質(zhì)量、提高功率因數(shù)以及滿足電網(wǎng)兼容標(biāo)準(zhǔn)。風(fēng)電機(jī)組網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)如圖2(a)所示,實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)變流器有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。具有MPPT(Maximum Power Point Tracking)功能的機(jī)側(cè)變流器控制系統(tǒng)如圖2(b)所示[11],實(shí)現(xiàn)了PMSG有功功率和無(wú)功功率的解耦控制[12]。

(a)

1.2 優(yōu)化控制

在電網(wǎng)電壓不平衡或不對(duì)稱情況下,為了使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定輸出,采用了分別基于正序和負(fù)序電流解耦算法來(lái)消除負(fù)序電流以維持恒定的輸出功率。

根據(jù)瞬時(shí)功率理論[9],網(wǎng)側(cè)變流器的復(fù)功率如下所示

(5)

式中,e為歐拉數(shù)。

將式(5)以代數(shù)形式表示,分解為有功分量和無(wú)功分量,如下所示

(6)

其中

(7)

(8)

在電壓不平衡的情況下,通過(guò)對(duì)稱分量法將不平衡電壓分解為正序與負(fù)序兩部分的平衡電壓[13]。本文將電網(wǎng)電壓方向控制策略引入正序和負(fù)序網(wǎng)絡(luò),正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的dP軸朝向正序電壓矢量的方向,負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的dN軸朝向負(fù)序電壓矢量的方向[14]。因此,正負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電網(wǎng)電壓矢量dP-qP和dN-qN軸分量如下式所示

(9)

將式(9)代入,可得

(10)

根據(jù)式(10),P2和Q2的正序分量和負(fù)序分量的耦合,無(wú)法實(shí)現(xiàn)有功與無(wú)功的完全解耦[15],但可以對(duì)有功和無(wú)功功率的直流分量進(jìn)行解耦控制[16]。

根據(jù)疊加原理,正序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中正序分量的電壓方程、負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中負(fù)序分量的電壓方程分別為

敘事元和時(shí)空元是考察一個(gè)以敘述為主的文體重要的因素，在時(shí)代條件的作用下，修辭轉(zhuǎn)向帶來(lái)了兒童文學(xué)在精神、認(rèn)知、審美等方面的能量，同時(shí)也促進(jìn)了兒童詩(shī)學(xué)的逐步完善。

(11)

在網(wǎng)側(cè)PWM變流器中,可以得到負(fù)序同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中負(fù)序分量的電壓方程,如下所示。

(12)

本文采用了一種在三相電網(wǎng)電壓不平衡下保證變流器有功輸出恒定的控制策略。在保持變流器有功輸出功率不變的情況下,式(10)必須滿足以下條件:有功功率的直流分量獲得給定值P0=Pref,有功功率的兩倍電網(wǎng)頻率分量的幅值都為0(P1=0,P2=0),無(wú)功功率的直流分量接收給定值Q0=Qref。因此,矩陣方程為

(13)

正、負(fù)坐標(biāo)的電流參考值如下所示。

(14)

可以看出,在輸出有功功率保持不變的情況下,可以得到正序和負(fù)序的d-q軸電流參考值。將式(14)代入式(10),得

(15)

在輸出有功功率保持不變以及電網(wǎng)不對(duì)稱故障的情況下,風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率存在電網(wǎng)頻率的兩倍波動(dòng)分量。只有在有功和無(wú)功基準(zhǔn)值均為0時(shí),電網(wǎng)無(wú)功功率兩倍頻波動(dòng)分量的幅值為0。

本文分別采用了基于正序和負(fù)序電流解耦算法,如圖3所示。

圖3 正負(fù)序雙電流環(huán)解耦控制策略Figure 3. Decoupling control strategy of positive and negative double current loops

在電網(wǎng)電壓不平衡或不對(duì)稱的情況下,通過(guò)抑制故障時(shí)風(fēng)電機(jī)組的無(wú)功功率兩倍頻波動(dòng)使有功和無(wú)功基準(zhǔn)值均為0,電網(wǎng)無(wú)功功率兩倍頻波動(dòng)分量的幅值為0,可達(dá)到消除負(fù)序電流使風(fēng)電機(jī)組輸出穩(wěn)定的目的,然后通過(guò)通用風(fēng)電機(jī)組HIL仿真平臺(tái)建模仿真加以驗(yàn)證。

本文搭建通用風(fēng)電機(jī)組HIL仿真平臺(tái)。該平臺(tái)軟件系統(tǒng)采用RTDS,可以在RTDS中搭建自由主電路模型及控制模型?？刂破饔缮衔粰C(jī)、通用實(shí)時(shí)仿真器(Universal Real-Time Experimental Platform,UREP)和控制機(jī)箱組成,其使用的核心儀器是UREP。在MATLAB/Simulink中搭建控制模型然后下載到UREP中,連接控制機(jī)箱進(jìn)行輸出和采集信號(hào),與RTDS中的模型搭配連接形成閉環(huán)。

2 系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案

在RTDS中建立的數(shù)字模型如圖4虛線框中所示,包括風(fēng)力機(jī)、永磁同步發(fā)電機(jī)(PMSG)、整流電路和逆變電路、風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)斷路器DL1、風(fēng)機(jī)出口箱式變壓器T1、風(fēng)電場(chǎng)主變壓器T2、傳輸線LN、無(wú)窮大系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 直驅(qū)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)閉環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Figure 4. Closed-loop experiment platform for direct drive wind turbines control system

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖5為電力系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建方案,該平臺(tái)主要包括RTDS、數(shù)字功率放大器和控制器3部分。

圖5 電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)的搭建方案Figure 5. Construction scheme of power system simulation platform

在圖5中,實(shí)時(shí)仿真工作站是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的人機(jī)界面、仿真試驗(yàn)的操作平臺(tái)以及運(yùn)行監(jiān)視平臺(tái)。

RTDS對(duì)直驅(qū)風(fēng)機(jī)發(fā)電并網(wǎng)整個(gè)系統(tǒng)仿真模擬電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。由于計(jì)算結(jié)果的實(shí)時(shí)性,RTDS可與電氣設(shè)備直接連接進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試,以驗(yàn)證設(shè)備、保護(hù)及其控制系統(tǒng)能否滿足實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行的要求。數(shù)字功率放大器將RTDS的板卡GTAO輸出的±10 V電壓信號(hào)按照標(biāo)準(zhǔn)的輸出等級(jí)(100 V,5 A)進(jìn)行放大,然后輸出到控制機(jī)箱的ADC(Analog-to-Digital Converter)采樣接口。通過(guò)RTDS與控制器之間的信息反饋開(kāi)展直驅(qū)風(fēng)機(jī)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn),作為一次系統(tǒng)的主電路模型模擬直驅(qū)風(fēng)機(jī)運(yùn)行電路,二次系統(tǒng)的自動(dòng)化裝置可以運(yùn)行邏輯控制算法[19]。該HIL仿真平臺(tái)如圖6所示。

圖6 HIL仿真平臺(tái)Figure 6. HIL simulation platform

2.3 系統(tǒng)軟件模型搭建

在電力系統(tǒng)仿真研究時(shí),通常使用單機(jī)無(wú)窮大系統(tǒng)來(lái)簡(jiǎn)化模型。相較于整個(gè)無(wú)限大系統(tǒng)而言,發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響較小,可認(rèn)為該無(wú)限大系統(tǒng)電壓和頻率恒定不變[20]。實(shí)驗(yàn)建模只需在Draft模塊中搭建主電路模型(發(fā)電機(jī)模塊、整流和逆變模塊、I/O接口配置、輸電線路和電壓源模塊)。模型搭建完成后,可以方便地調(diào)控被仿真的電力系統(tǒng)、控制仿真運(yùn)行及分析仿真結(jié)果。模型搭建完成后可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求與仿真需要自行修改。Runtime模塊用于搭建用戶交互界面,通過(guò)該模塊可以控制RTDS的運(yùn)行。用戶可以在Runtime模塊控制臺(tái)上生成虛擬表盤(pán)、開(kāi)關(guān)、按鈕及滑桿等控制元件,當(dāng)仿真開(kāi)始后可以通過(guò)控制臺(tái)對(duì)仿真模型進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)或交互,在Runtime模塊中觀察所有的信號(hào)數(shù)據(jù)。在MATLAB/Simulink中搭建控制部分,搭建完成后下載到UREP中,在LabVIEW顯示界面可以監(jiān)測(cè)控制部分輸出和采集的信號(hào)。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

模型參數(shù)如表1所示,RTDS板卡性能參數(shù)如表2所示。本文對(duì)在電網(wǎng)電壓不平衡或不對(duì)稱的情況下傳統(tǒng)控制策略和優(yōu)化控制進(jìn)行比較,在電網(wǎng)正常運(yùn)行情況下,機(jī)組運(yùn)行于額定功率狀態(tài),即P=2.5 MW,Q=0 MVar。

表1 仿真模型參數(shù)Table 1. Simulation model parameters

為了驗(yàn)證優(yōu)化控制策略的有效性,圖7和圖8分別顯示了在沒(méi)有優(yōu)化控制策略的情況下對(duì)a相電壓降至50%和降至20%的控制效果[21]。依次測(cè)量網(wǎng)側(cè)電壓ua、ub、uc,逆變器輸入電網(wǎng)的有功功率P和無(wú)功功率Q(P、Q均用標(biāo)幺值p.u.表示)及直流母線電壓udc。

圖7 a相電壓下降到50%時(shí)傳統(tǒng)控制的輸出效果Figure 7. The output effect of conventional control when the a-phase voltage drops to 50%

圖8 a相電壓下降到20%時(shí)傳統(tǒng)控制的輸出效果Figure 8. The output effect of conventional control when the a-phase voltage drops to 20%

在電網(wǎng)電壓不平衡或不對(duì)稱的情況下,采用優(yōu)化控制策略對(duì)a相電壓降至50%和降至20%的控制效果[21]如圖9和圖10所示。由圖9和圖10可知,控制效果得到了顯著改善。

圖9 a相電壓下降到50%時(shí)優(yōu)化控制去耦控制的輸出效果Figure 9. The output effect of decoupling control is optimized when the a-phase voltage drops to 50%

圖10 a相電壓下降到20%時(shí)優(yōu)化控制去耦控制的輸出效果Figure 10. The output effect of decoupling control is optimized when the a-phase voltage drops to 20%

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用通用風(fēng)電機(jī)組HIL仿真平臺(tái)搭建直驅(qū)風(fēng)機(jī)HIL實(shí)驗(yàn)仿真,并在該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)研究改善風(fēng)力機(jī)輸出特性的優(yōu)化控制。根據(jù)某2.5 MW直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的產(chǎn)品參數(shù),在RTDS中搭建了風(fēng)力機(jī)的仿真模型。在電網(wǎng)電壓不平衡或不對(duì)稱的情況下,為使風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定輸出,采用了分別基于正序和負(fù)序電流解耦算法來(lái)消除負(fù)序電流以保持輸出功率恒定,風(fēng)電機(jī)組有功功率輸出不變,風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)的適應(yīng)性顯著提高。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了該方法的合理性和有效性。