雙饋風機機側換流控制器快速原型設計

陳康博，譚 興，馮海濤，余永元

(貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550001)

0 引言

xPC target技術可將simulink模型自動的轉化為工控機可以執行的C代碼，并將代碼下載到運行實時內核的目標工控機中高速運行，工控機通過數據采集卡與控制對象交換信息。xPC target快速原型化技術相對于手動編寫程序的DSP與FPGA大大提高了實驗效率［1］，與其他快速原型化設備相比，又是一種低成本解決方案。

RTDS實時數字仿真器［2］可以方便直觀的對系統內的任意變量進行監控、對變量進行在線調整，模擬任意的電力系統環境，在各種工況下對被測試設備進行檢驗;相對于物理模型，操作簡單方便，安全可靠，并可以模擬物理模型無法實現的各種工況，大幅度提高了實驗效率。

1 系統組成

1)RTDS:RTDS以小于2 μs的小步長運行雙饋風機模型的主電路，以大步長運行風機所在的電力系統模型和風機的網側換流器控制及變槳控制等。本文通過GTAO模擬輸出卡輸出發電機轉速、位置量，三相定子電壓、轉子電流、轉子電流等模擬電壓信號，通過GTDI數字輸入接收DSP發出的6路數字PWM信號。

2)xPC target目標機:即安裝有多功能數據采集卡的工控機。本實驗中xPC target目標機作為“極控”，通過數據采集卡采集風機各個參數，經過矢量控制輸出機側換流器的基準電壓信號。工控機通過制作好的U盤啟動盤啟動，實時運行上位機下載的C代碼，由于涉及到變頻器控制，為了最大限度的提高運行速度，目標機運行方式采用“polling”模式，而非中斷模式［3］，并且選擇了采集速度較快的NI PCI 6251多功能數據采集卡，在運算不溢出的前提下最大限度降低運行步長。NI PCI 6251采集卡設置為差分采集模式，降低干擾影響，提高采集精度。NI PCI 6251為多路復用式，每通道采集時間為1 μs，本實驗中雙饋式風機的額定頻率為50 Hz，并且轉子電流頻率更低，不同步采集帶來的誤差很小。

3)DSP:由于本實驗涉及電力電子器件觸發脈沖，PWM調制對運算步長要求較高，所以需要使用DSP充當“閥控”，通過其模擬輸入采集xPC target目標機輸出的基準電壓信號，可以運行各種PWM調制代碼。

2 雙饋風機變頻器機側控制策略

2.1 電流環控制模型

雙饋風機機側控制采用矢量控制，通過改變機側換流器交流側的電壓相位、幅值，獨立控制發電機發出的有功與無功，并實現最大風力追蹤［4］。

雙饋電機定轉子等效電路如圖1所示。

圖1 雙饋電機定轉子等效電路

定轉子磁鏈方程:

式中 ψs、ψr分別為定、轉子磁鏈;is、ir分別為定轉子電流;Lo為坐標系下同軸定、轉子繞組間的等效互感;Ls為定子繞組的自感;Lr為轉子繞組的自感。

從定子磁鏈方程中提出is:

代入上式到轉子磁鏈方程得:

將方程轉化為DQ坐標系下，并在定子磁鏈定向［5］下有 ψds=ψs，ψqs=0 得:

代入轉子電壓方程:

式中ωslip為滑差角頻率，Rr為轉子電阻，udr為轉子電壓D軸分量，uqr為轉子電壓Q軸分量。等式右端括號外的為解耦項。括號部分是前饋補償值，為了使DQ軸完全解耦。

對應上式(5)的控制模型［6］如圖2。

圖2 電流環控制模型

單獨調節D軸電流給定和Q軸電流給定可單獨調節風機輸出有功，定子輸出的無功。

2.2 最大功率追蹤實現方法

為實現最大功率捕捉，需要對Q軸電流給定值進行計算。反饋當前風機轉速，并假設其為最佳轉速(最佳葉尖速比下的轉速)。

通過公式求出以此轉速為最佳轉速時對應的最大功率，并求出相應的最佳電磁轉矩。

通過公式求出最佳電磁轉矩對應的Q軸電流。并以此電流作為Q軸電流給定［7］。

若當前轉速低于最佳轉速，那么通過當前轉速計算的最大功率popt會小于風輪機的機械功率，風機的電磁轉矩也會小于機械轉矩，風機加速直到達到最佳葉尖速比。同理，若當前轉速高于最佳轉速，風機會減速直到達到最佳葉尖速比，實現最大功率捕捉。

3 試驗裝置與RTDS的聯機試驗

風速從8 m/s突變為12 m/s雙饋風機的運行狀態。

圖3 風速突變時風機出口電壓(標幺值)

風機出口電壓如圖(3)，本實驗雙饋風機是經過10 kV電路并網，由于線路阻性參數不能忽略，并控制風機輸出無功不變，風機有功增加會略微提升風機端電壓。

圖4 風速突變時風機功率(標幺值)

0.6 s時風速突變，風機功率變化如圖4，功率在10 s內從0.27 pu上升到額定值。

圖5 風速突變時轉子電流(kA)

風速突變時轉子電流變化如圖5電流頻率從-20 Hz變為+20 Hz，圖中3.5 s時達到同步轉速。

圖6 風速突變時轉速、電磁轉矩(標幺值)

風速突變時轉速、電磁轉矩的變化如圖6，0.6 s之前風速為8 m/s，轉速為0.8 pu。0.6 s風速增加到12 m/s，轉速相應的也在10 s內達到1.2 pu，維持在最佳葉尖速比，實現最大功率追蹤。

圖7為12 m/s風速下雙饋風機穩定后額定運行狀態，轉子電流定子電流和定子電壓的波形圖，波形正常，控制效果較為理想。

圖7 額定運行時定子電壓(kV)

4 結論

本文使用xPC-target技術與DSP相結合的辦法，完成了雙饋風機機側換流器控制器主要功能的設計。驗證了其作為一種低成本快速原型解決方案的可行性，并得出了較理想的控制效果。使用RTDS對風機控制器進行測試，可以方便的設置各種工況，并可以方便直觀的對控制效果進行評估。本文使用的方法也可以實現具有風機低電壓穿越，槳距控制等其他功能的原型設備的研發與測試。

［1］ 李晶.基于xPC target的直線電機快速原型控制系統［J］.中國機械工程，2011，22(20):2452-2455

［2］ 郭琦.圖形化RTDS在線實時仿真系統［J］.電力系統自動化，2010，39(13):38-42

［3］ xPC Target User’s Guide［Z］.Mathworks，2013:279-290

［4］ R.Pena，J.C.Clare，G.M.Asher.Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable speed wind-energy generation［J］.1996，IEE Proc.Power Appl.，(3):231-241

［5］ 張世界.異步電機基于定子磁場定向的矢量控制系統的研究［J］.信息化縱橫，2009，(17):67-69

［6］ 邱生卓.雙饋風力發電場對電網暫態無功補償的研究［J］.電測與儀表，2013，50(8):58-61

［7］ Wind-turbine driven double-fed induction generator［Z］.RTDS technologies，2011