基于RT－LAB永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時仿真

張米露， 王 丹

(1．上海海事大學(xué) 物流工程學(xué)院，上海201306;2．黑龍江省節(jié)能技術(shù)服務(wù)中心，哈爾濱150001)

0 引 言

風(fēng)能作為清潔型能源，被廣泛開發(fā)和利用。風(fēng)力發(fā)電已成為一種重要的風(fēng)能利用方式。對于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)，如何提高風(fēng)電機(jī)組發(fā)電效率以及保持系統(tǒng)整體運(yùn)行的穩(wěn)定性成為目前研究的主要問題。風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)耗費(fèi)大，且受風(fēng)力大小和場地環(huán)境等條件的制約，很難達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期目的。在利用純數(shù)字仿真模擬實(shí)驗(yàn)時，完全擺脫系統(tǒng)對硬件的依托，脫離了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

相比于其他仿真測試實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)時仿真平臺RT－LAB可與MATLAB/Simulink 實(shí)現(xiàn)完全的兼容，將Simulink 中的軟件仿真模型轉(zhuǎn)化為自身環(huán)境下的半實(shí)物實(shí)時仿真模型，既可以將控制器實(shí)物用軟件仿真模型代替，也可以將控制對象用仿真模型替代。通過自身的I/O 口與外部硬件相連接，可結(jié)合具體的硬件對控制器或控制對象進(jìn)行優(yōu)化，使用方便，并可以模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在實(shí)時仿真過程中在線參數(shù)的調(diào)整，便于分析系統(tǒng)的動態(tài)過程。RT －LAB 中的控制仿真模塊可以接收帶有時間戳的信號，保證系統(tǒng)仿真的實(shí)時性。

直驅(qū)式永磁同步風(fēng)力發(fā)電機(jī)系統(tǒng)采用永磁體結(jié)構(gòu)和風(fēng)力機(jī)直接拖動同步電機(jī)進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電［1］。該結(jié)構(gòu)省掉了電勵磁系統(tǒng)和傳動部分的齒輪箱，減少了系統(tǒng)的維護(hù)［2］。筆者基于RT －LAB 實(shí)時仿真系統(tǒng)，對永磁同步發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行仿真建模，對RT －LAB 仿真器中軟件同步實(shí)時仿真結(jié)果和硬件在線實(shí)時仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，利用實(shí)時檢測評價系統(tǒng)對仿真結(jié)果的實(shí)時性進(jìn)行分析。

1 直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)模型

1.1 機(jī)側(cè)變流器控制

根據(jù)電動機(jī)慣例建立正弦波永磁同步電機(jī)的d、q 坐標(biāo)系模型，假設(shè):(1)忽略電機(jī)鐵芯的飽和;(2)不計(jì)電機(jī)中的渦流和磁滯損耗;(3)電機(jī)的電流為對稱的三相正弦波電流。對絕大多數(shù)正弦波調(diào)速永磁同步電機(jī)來說，轉(zhuǎn)子上不存在阻尼繞組，電機(jī)的電壓、磁鏈和電磁轉(zhuǎn)矩方程可簡化為:

電壓方程

磁鏈方程

運(yùn)動方程

式中:Ud、id、Ld、ψd(Uq、iq、Lq、ψq)——定子d(q)軸電壓、電流、電感和磁鏈分量;

ψrd、ψrq——轉(zhuǎn)子d、q 軸磁鏈分量;

Rs——定子繞組電阻;

ωr——轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角度;

Tm——電機(jī)輸入機(jī)械轉(zhuǎn)矩;

Te——電磁轉(zhuǎn)矩;

J——轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量;

p——極對數(shù);

kF——轉(zhuǎn)動摩擦系數(shù);

kθ——扭矩系數(shù)。

考慮永磁發(fā)電機(jī)為隱極式，假設(shè)電機(jī)氣隙均勻且在Park 變換時d 軸與轉(zhuǎn)子永磁體主磁通重合，Ψf為永磁體磁鏈，則電磁轉(zhuǎn)矩表達(dá)式為

機(jī)側(cè)控制結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機(jī)側(cè)變流器控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速及定子繞組的有功功率。采用速度外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的方法控制機(jī)側(cè)電流［3］。在id=0 控制下構(gòu)建電壓前饋模型:

圖1 機(jī)側(cè)控制結(jié)構(gòu)Fig．1 Control of machine-side

實(shí)現(xiàn)d、q 軸電流調(diào)節(jié)器和電壓前饋模型共同作用的復(fù)合控制系統(tǒng)。如果d 軸電流不為零，即id≠0，將輸出ΔUd來補(bǔ)償d 軸電壓。d、q 軸電流調(diào)節(jié)器一方面補(bǔ)償電壓前饋計(jì)算的誤差，同時提供動態(tài)過程的d、q 軸瞬態(tài)電壓，在動態(tài)過程中該瞬態(tài)電壓為

最后d、q 軸電壓經(jīng)過Park 反變換送入SVPWM生成模塊，產(chǎn)生SVPWM 波控制機(jī)側(cè)變流器［4］。

1.2 網(wǎng)側(cè)變流器控制

對于三相并網(wǎng)逆變器數(shù)學(xué)模型，假設(shè):(1)電網(wǎng)電動勢為三相平衡的純正弦波電動勢;(2)電網(wǎng)側(cè)濾波電感是線性的，且不考慮磁飽和;(3)功率開關(guān)管的損耗用電阻等效，實(shí)際功率開關(guān)管可以由理想開關(guān)與一個等效電阻串聯(lián)表示［5］。

定義單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)sk，sk為1 時上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷，sk為0 時上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通，k 為a、b 和c。則逆變器a、b 和c 相電壓可表示為

三相并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換到d、q 坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為

式中:Ud、Uq——開關(guān)控制函數(shù)轉(zhuǎn)換到d、q 坐標(biāo)系下的相應(yīng)開關(guān)控制函數(shù);

sd、sq——轉(zhuǎn)換到d、q 坐標(biāo)系下的開關(guān)函數(shù);

Cdc——直流側(cè)電容值;

Udc——電容兩端電壓;

ed、eq、id、iq——電網(wǎng)電壓、電流d、q 軸分量;

L——濾波電感;

R——等效電阻;

ω——坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)角速度;

ibe——發(fā)電時流入電容電流。

網(wǎng)側(cè)控制結(jié)構(gòu)如圖2 所示。網(wǎng)側(cè)變流器控制直流母線電壓的穩(wěn)定及控制流向電網(wǎng)的無功功率［6］。采用電網(wǎng)電壓前饋解耦控制，應(yīng)用PI 調(diào)節(jié)器［7 －8］令

帶入逆變器并網(wǎng)數(shù)學(xué)模型，得到

式(1)實(shí)現(xiàn)了id與iq的解耦控制，可以分別控制d、q 軸電流實(shí)現(xiàn)對有功功率和無功功率的控制。

圖2 網(wǎng)側(cè)控制結(jié)構(gòu)Fig．2 Control of grid-side

2 RT－LAB 模型

RT－LAB 外部連接實(shí)物如圖3 所示。圖3 中RT－LAB 仿真器采集PWM Source 輸出的PWM 信號，控制仿真器輸出仿真結(jié)果，結(jié)果顯示在示波器中，也可以將信號送入主機(jī)實(shí)時顯示。

圖3 RT－LAB 模型實(shí)物Fig．3 RT-LAB simulator and PWM source

RT－LAB 的搭建分為以下步驟:(1)如圖4 所示，在Simulink 中搭建永磁同步風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，將控制模塊與主電路模塊分別封裝在不同的子系統(tǒng)中，每個子系統(tǒng)分配獨(dú)立的CPU 進(jìn)行計(jì)算;(2)圖5 添加Opcomm實(shí)時通信模塊，保證子系統(tǒng)間通信的實(shí)時性;(3)給接口模塊分配外部接口地址，采集或輸入接口信號。

圖4 RT－LAB 子系統(tǒng)Fig．4 Subsystem of RT-LAB

圖5 電網(wǎng)傳輸仿真中opcomm 模塊Fig．5 Opcomm module adding in grid transmission

3 仿真結(jié)果與分析

圖6 為在RT －LAB 環(huán)境下建立風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)仿真平臺。

圖6 永磁同步電機(jī)控制主電路Fig．6 Permanent magnet synchronous generator main circuit system

圖6 中整流橋與逆變橋接收的控制信號均為帶時間戳信息，保證在數(shù)據(jù)傳輸丟包的情況下，控制信號仍能夠?qū)崟r準(zhǔn)確控制器件的關(guān)斷與開通。具體參數(shù)設(shè)置如下:風(fēng)力機(jī)參數(shù):輸出功率1.1 MW，葉片半徑35 m。發(fā)電機(jī)參數(shù):永磁體磁通1.48 Wb，轉(zhuǎn)動慣量3．5×104kg·m2，機(jī)側(cè)輸出相電流幅值1 500 A，相電壓幅值1 250 V。直流母線電壓1 200 V。電網(wǎng)參數(shù):相電壓幅值400 V，相電流幅值1 666 A，輸出功率1.1 MW。變頻器開關(guān)頻率10 kHz。圖7 為發(fā)電系統(tǒng)啟動仿真，風(fēng)力機(jī)模塊計(jì)算風(fēng)力機(jī)輸出功率和轉(zhuǎn)矩，輸出給永磁同步發(fā)電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提升，利用功率計(jì)算模塊得到發(fā)電機(jī)瞬時輸出功率，與測得的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同時作為輸入，進(jìn)行爬山法功率比較，輸出參考轉(zhuǎn)速［9－10］。由圖7 可以看出，發(fā)電系統(tǒng)在1.2 s后達(dá)到穩(wěn)定，此時風(fēng)力機(jī)輸出有功功率為1.1 MW，無功功率為零，直流母線電壓保持在1 200 V，并入電網(wǎng)電流逐漸增大，達(dá)到穩(wěn)定后保持1 666 A。

圖7 永磁同步發(fā)電系統(tǒng)啟動過程仿真Fig．7 Starting process of PMSG system

圖8 為永磁同步發(fā)電機(jī)輸出端軟件同步實(shí)時仿真結(jié)果。從圖8 中可以看到，電壓幅值為1 200 V的SVPWM 調(diào)制波，電流與電壓方向保持相反(規(guī)定電機(jī)發(fā)電時電流與電壓方向相反)。

圖8 機(jī)側(cè)輸出電壓與電流波形Fig．8 Output voltage and current in machine-side

圖9 為逆變器端軟件同步實(shí)時仿真結(jié)果。圖9中輸出電壓幅值為400 V 的SVPWM 調(diào)制波，電流與電壓方向相反。

圖9 網(wǎng)側(cè)輸出波形Fig．9 Output voltage and current in grid-side

圖10 為圖8 和圖9 波形經(jīng)過一定的衰減比(達(dá)到RT－LAB 可輸出電壓范圍)，經(jīng)過示波器實(shí)時輸出波形，可以看到信號的實(shí)時輸出與仿真輸出一致，達(dá)到實(shí)時效果。

圖10 示波器采集電壓與電流波形Fig．10 Output voltage and current in oscilloscope

為了體現(xiàn)系統(tǒng)仿真輸出的實(shí)時效果，圖11 為系統(tǒng)運(yùn)行3 s 時，給發(fā)電機(jī)突加0.2 倍轉(zhuǎn)矩逆變器端輸出電流波形圖，圖12 為并網(wǎng)電流跟隨電網(wǎng)角度過程。從圖12 可以看出，在動態(tài)過程中輸出電流實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)保持穩(wěn)定，具有很好的實(shí)時性。

圖11 突加轉(zhuǎn)矩系統(tǒng)輸出電流波形Fig．11 Output current waveform in torque step

圖12 并網(wǎng)電流與電壓跟隨波形Fig．12 Voltage and current waveform in grid connection

圖13 為RT－LAB 實(shí)時性監(jiān)測系統(tǒng)，從圖13 中可以看到系統(tǒng)仿真步長為10 μs，步長時間使用率為34.29%，實(shí)際執(zhí)行時間占有率為34.29%，實(shí)際仿真步長為10 μs，空閑時間為62.51%，超時為4 個，RT － LAB 將采集的控制信號轉(zhuǎn)換為帶時間戳的RTE 信號。

圖13 實(shí)時仿真評測數(shù)據(jù)Fig．13 Assenssment of realtime simulation

在系統(tǒng)實(shí)時仿真中，利用圖13 所示的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時對比信號的時間戳信息與實(shí)際信號匹配情況。不匹配時系統(tǒng)超時數(shù)增加，重新提取時間戳信息加以修正，保證系統(tǒng)的實(shí)時運(yùn)行。從圖13可以看出，系統(tǒng)的總超時數(shù)為4，達(dá)到實(shí)時控制的要求。

4 結(jié)束語

通過RT －LAB 仿真平臺建立了直驅(qū)式永磁同步發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)時仿真模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在帶有時間戳的SVPWM 控制信號下，系統(tǒng)實(shí)時輸出的波形與理論分析一致，證明了RT－LAB 實(shí)時仿真器仿真的有效性。

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