基于Matlab/Simulink與Digsilent的聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)

齊會(huì)娟，李德雄，劉麗娜

（石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北石家莊 050061）

風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型的構(gòu)建和認(rèn)證是目前風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)前沿。機(jī)組參數(shù)的配置和算法的選取是否最優(yōu)，關(guān)系到機(jī)組的發(fā)電效率和對(duì)電網(wǎng)的影響。因此，搭建的模型是否適應(yīng)電網(wǎng)的需要，在現(xiàn)有的條件下，模型仿真認(rèn)證的方法必不可少。在構(gòu)建風(fēng)力發(fā)電機(jī)組仿真模型和編寫(xiě)算法上，MATLAB 軟件具有強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算和繪圖功能，對(duì)算法的驗(yàn)證和仿真模擬具有很好的平臺(tái)。其Simulink的模塊化便于用戶實(shí)現(xiàn)算法的建模，但是在模擬電網(wǎng)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況時(shí)，缺乏專業(yè)的運(yùn)行環(huán)境（穩(wěn)態(tài)、時(shí)域、頻域等多種模態(tài)）。相比之下，電力系統(tǒng)仿真軟件Digsilent擁有專業(yè)的電力系統(tǒng)各種工況的模擬運(yùn)行環(huán)境，是電力系統(tǒng)行業(yè)的專業(yè)軟件。然而，電力系統(tǒng)仿真軟件Digsilent在控制系統(tǒng)模型的構(gòu)建上較為繁瑣，更不能運(yùn)行和檢驗(yàn)算法的有效性。

基于以上問(wèn)題，在了解和熟悉風(fēng)電并網(wǎng)模型認(rèn)證及算法改進(jìn)的基礎(chǔ)上，本文闡述了Matlab/Simulink與電力系統(tǒng)專業(yè)仿真軟件Digsilent聯(lián)合仿真的特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法，并以風(fēng)力發(fā)電機(jī)組發(fā)電機(jī)并網(wǎng)控制為實(shí)例，詳細(xì)介紹了接口的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)過(guò)程，最后對(duì)聯(lián)合控制的效果和特點(diǎn)分析。取長(zhǎng)補(bǔ)短，為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)模型認(rèn)證、算法評(píng)價(jià)以及風(fēng)場(chǎng)電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬，提供了一個(gè)新的平臺(tái)。有利于加快風(fēng)電大規(guī)模并網(wǎng)的步伐。

1 Matlab/Simulink建模方法

1.1 MATLAB軟件介紹

MATLAB 軟件具有強(qiáng)大的數(shù)值、符號(hào)計(jì)算、離線和在線計(jì)算、矩陣計(jì)算能力，計(jì)算結(jié)果和編程可視化，界面友好、語(yǔ)言自然，是功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助解決具體工程問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)軟件。其不足之處在于圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）功能過(guò)于簡(jiǎn)單，本身是一個(gè)命令形式的交互系統(tǒng)，功能模塊分散，要求使用者有較高的計(jì)算機(jī)素質(zhì)，熟悉MATLAB編程和ToolBox環(huán)境。但MATLAB和其他語(yǔ)言的接口能夠保證它和各種各樣的計(jì)算機(jī)軟件相結(jié)合，發(fā)揮更大的作用。

Simulink是Matlab軟件下的一個(gè)附加組件，是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的MATLAB軟件包。它支持連續(xù)、離散以及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，同時(shí)它也支持具有不同部分擁有不同采樣率的多種采樣速率的仿真系統(tǒng)。在其下提供了豐富的仿真模塊。其主要功能是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、方針與分析，可以預(yù)先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，按仿真的最佳效果來(lái)調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)。Simulink仿真與分析的主要步驟按先后順序?yàn)?從模塊庫(kù)中選擇所需要的基本功能模塊，建立結(jié)構(gòu)圖模型，設(shè)置仿真參數(shù)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真并觀看輸出結(jié)果，針對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行分析和比較。

Simulink為用戶提供了一個(gè)圖形化的用戶界面（GUI）。對(duì)于用方框圖表示的系統(tǒng)，通過(guò)圖形界面，利用鼠標(biāo)單擊和拖拉方式，建立系統(tǒng)模型就像用鉛筆在紙上繪制系統(tǒng)的方框圖一樣簡(jiǎn)單，它與用微分方程和差分方程建模的傳統(tǒng)仿真軟件包相比，具有更直觀、更方便、更靈活的優(yōu)點(diǎn)。

1.2 Simulink搭建控制模塊

根據(jù)風(fēng)電機(jī)組中電機(jī)的控制特點(diǎn)，采用控制器調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電壓，依此改變發(fā)電機(jī)反力矩來(lái)改變轉(zhuǎn)速。電壓-轉(zhuǎn)矩控制器的控制模式如圖1所示。其中，U為發(fā)電機(jī)定子電壓；s為轉(zhuǎn)差率；Usetp為電壓調(diào)節(jié)上限；Upss為電壓調(diào)節(jié)下限；Ur1mx為轉(zhuǎn)子電壓調(diào)節(jié)上限；Ur1min為轉(zhuǎn)子電壓調(diào)節(jié)下限；T1sp為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩；Vsta為定子電壓調(diào)節(jié)參考值；Vsex為定子電壓調(diào)節(jié)輸出值；Ufdmx為定子電壓給定值調(diào)節(jié)上限；Ufdmin為定子電壓給定值調(diào)節(jié)下限。

圖1 電壓-轉(zhuǎn)矩控制流程圖Fig. 1 The voltage-torque control flow chart

根據(jù)電壓-轉(zhuǎn)矩控制流程圖，在Matlab/Simulink中建立對(duì)應(yīng)的仿真模型如圖2所示。其中，模塊Saturation的上限設(shè)置為5.0，下限值設(shè)置為-5.0。Urss為輸出，U，Usetp和Upss為輸入。搭建如圖仿真模塊，能夠較容易實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)定子電壓，依此改變發(fā)電機(jī)反力矩來(lái)改變轉(zhuǎn)速的核心控制器。

圖2 電壓-轉(zhuǎn)矩控制仿真模塊連接圖Fig. 2 The voltage- torque control simulation module connection diagram

2 DIGSILENT軟件

電力系統(tǒng)仿真軟件Digsilent的名稱來(lái)源于數(shù)字仿真和電網(wǎng)計(jì)算程序（Digsilent SimuLation and Electrical Network），最早的開(kāi)發(fā)始于1976年。允許用戶在單一的數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建詳盡的電力系統(tǒng)元件模型（包括穩(wěn)態(tài)、時(shí)域、頻域等計(jì)算用的一系列參數(shù)），無(wú)需再像一些電力系統(tǒng)分析軟件那樣采用不同的軟件包進(jìn)行相應(yīng)類型的電力輸電、配電、發(fā)電或工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)仿真計(jì)算。Digsilent/PowerFactory軟件能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能。

2.1 AC/DC潮流計(jì)算分析

Digsilent/PowerFactory可以描述復(fù)雜的單相和三相AC系統(tǒng)及各種交直流混合系統(tǒng)。潮流求解過(guò)程提供了3 種方法以供選擇：經(jīng)典的牛頓-拉夫遜算法、牛頓-拉夫遜電流迭代法和線性方程法。在進(jìn)行潮流計(jì)算的同時(shí)，Digsilent/ PowerFactory還有變電站控制、網(wǎng)絡(luò)控制和變壓器分接頭調(diào)整控制可供選擇。

2.2 故障分析

Digsilent/PowerFactory故障分析功能既可以分別根據(jù)IEC909、IEEEstd141/ANSIe37.5以及德國(guó)的VDE102/103 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，也可以根據(jù)Digsilent/PowerFactory自身所提供的綜合故障分析（General Fault Analysis-GFA）方法進(jìn)行。Power Factory故障分析功能支持幾乎所有的故障類型。

2.3 動(dòng)態(tài)仿真

Digsilent/PowerFactory 軟件提供的仿真語(yǔ)言（DIgSILENT Simulation Language，DSL），使用戶可以自定義模型：任何類型的靜態(tài)/動(dòng)態(tài)的多輸入/多輸出模型，例如電壓控制器、PSS 等。該軟件既可以進(jìn)行短期電磁暫態(tài)仿真，也可以進(jìn)行中期機(jī)電暫態(tài)仿真和長(zhǎng)期暫態(tài)仿真。PowerFactory幾乎可以仿真各種類型的故障。

3 接口設(shè)計(jì)和分析

3.1 Digsilent模型與Matlab/Simulink接口設(shè)計(jì)

在Matlab/Simulink中搭建風(fēng)力發(fā)電機(jī)核心控制模型，通過(guò)如圖3的模式將控制器接入Digsilent/PowerFactory軟件中，利用它的動(dòng)態(tài)仿真功能，計(jì)算電網(wǎng)潮流，模擬單相短路和三相短路故障，電壓不平衡的分析，討論風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出電流對(duì)電網(wǎng)的影響。

圖3 軟件接口模式圖Fig. 3 Digsilent/PowerFactory and Matlab/Simulink software interface model chart

3.2 Power Factory模型搭建

Digsilent/Power Factory提供了一個(gè)基本的動(dòng)態(tài)仿真內(nèi)核，根據(jù)發(fā)電模型參數(shù)和電網(wǎng)參數(shù)搭建仿真模型，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg=52 kg/m3，額定功率Pg=1 300 kW，額定轉(zhuǎn)速Vg=1 522 r/min，定子相數(shù)M1=3，修正系數(shù)C1=0.811，定子額定相電壓U1=690 V，定子繞組電阻及漏抗為r1=0.010 9 Ω、x1=0.23 Ω。折算到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子繞組及漏抗為r2=0.23 Ω、x2=0.18 Ω。電網(wǎng)電壓400 V，頻率50 Hz，TS-N系統(tǒng)。

3.3 接口連接文件設(shè)計(jì)

在Matlab 中 編 制*.m 文 件，作 為Simulink 與Digsilent/ PowerFactory軟件的連接，*.m文件中的程序編制如下：

function [t，x，y] = VCOtype16 %命名

global u Tvm usetp upss Vska Tisp Ur1mx Ur1mn Vsex Efdmx Efdmn x1 x2 %變量定義

options = simget（′VCOtype16_model′）；%模型調(diào)用

options = simset（′InitialState′，[x1，x2]）；%初始化

[t，x，y]=sim（′VCOtype16_model′，[]，options）；%返回值形式。

針對(duì)Matlab中編制*.m文件變量定義順序，在Digsilent/PowerFactory軟件對(duì)話框中對(duì)應(yīng)定義變量初始值如圖4所示。圖5所示PowerFactory定義變量初始值對(duì)話框。其中，初始值定義如下：

圖4 MATLAB中的初始值調(diào)用程序Fig.4 The calling program of the initial value in MATLAB

圖5 PowerFactory定義變量初始值對(duì)話框Fig. 5 The dialog box of defining the initial value of a variable in PowerFactory

Tvm=0.02；Vska=20；Tisp=1；Vsex=1.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與總結(jié)

在Matlab/Simulink中建立對(duì)應(yīng)的仿真模型圖2中寫(xiě)入?yún)?shù)初始值如下：

Tvm=0.02；Vska=20；Tisp=1；Vsex=1。

圖6 電壓-轉(zhuǎn)矩控制仿真波形Fig. 6 The voltage-torque control simulation waveform

可以看出電壓-轉(zhuǎn)矩控制的控制模式。如圖6所示，依此改變發(fā)電機(jī)反力矩來(lái)改變轉(zhuǎn)速的核心控制器。

對(duì)應(yīng)如圖1的電壓-轉(zhuǎn)矩控制流程圖，在Digsilent/PowerFactory軟件中通過(guò)編寫(xiě)控制邏輯圖，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的控制，輸出電壓標(biāo)幺值波形如圖7所示；而采用Matlab接口文件實(shí)現(xiàn)Simulink模型調(diào)用實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)的控制，輸出電壓標(biāo)幺值波形如圖8所示。

圖7 Digsilent軟件控制器仿真波形Fig. 7 The simulation waveform of Digsilent software controller

圖8 調(diào)用Matlab/Simulink控制模型后的仿真波形Fig. 8 The simulation waveform after the Matlab/Simulink control model is called

通過(guò)圖8可以看出，調(diào)用Matlab/Simulink控制模型后的仿真波形與之前Digsilent/ PowerFactory軟件自身控制邏輯圖實(shí)現(xiàn)的控制模式的控制效果是相同的，可見(jiàn)采用接口設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制是可行的。

基于Matlab/Simulink與Digsilent的聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)，可以看出，對(duì)于電力系統(tǒng)中復(fù)雜的控制器，可以采用編程邏輯強(qiáng)的Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)，通過(guò)接口文件實(shí)現(xiàn)調(diào)用連接，可以大大優(yōu)化控制器的設(shè)計(jì)，提高軟件的實(shí)用性。

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