基于快速原型化雙饋風機控制器研究

肖忠云，余永元，陳康博，袁威

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：以DSP28335為控制核心，根據(jù)MATLAB/Simulink的RTW自動生成代碼功能，實現(xiàn)雙饋風機機側(cè)控制器快速原型化。在RTDS中搭建雙饋風機一次模型，機側(cè)控制器運行在DSP28335中，實現(xiàn)快速原型化控制器的在線調(diào)試，加快研發(fā)周期。同時仿真結(jié)果表明，該控制器控制效果較為理想。

關(guān)鍵詞:快速原型化RTDSDSP28335雙饋風機

中圖分類號：TM464文獻標識碼：A

作者簡介：肖忠云(1991-)，男，貴州省興義人，在校碩士研究生，電氣工程及其自動化專業(yè)，研究方向：電力系統(tǒng)運行與控制。

收稿日期：2015-01-30

DFIG controller research based on rapid prototyping

XIAO Zhongyun,YU Yongyuan,CHEN Kangbo,YUAN Wei

Abstract:The present study took DSP28335 as the control core of DFIG, achieved rapid prototyping of double-fed wind machine side controller according to automatic code generation function of RTW in MATLAB/Simulink. By building the DFIG model in RTDS and running the controller in DSP28335, the controller’s online debugging was achieved, which accelerated the development cycle. The simulation results showed that the controller worked effectively.

Keywords:rapid prototyping; RTDS; DSP28335; double-fed wind turbine

0引言

能源、環(huán)境是當今世界亟需解決的問題。常規(guī)的能源包括煤、石油等，它不僅是有限的，而且還會造成嚴重的大氣污染。近年來，國家大力發(fā)展可再生能源，尤其是風力資源的發(fā)展得到重視。風力資源具有間歇性、波動性的特點，風力發(fā)電機的控制是一個難點。目前，風電場大都采用變速恒頻雙饋式風力發(fā)電機。關(guān)于雙饋式異步風力發(fā)電機控制的研究，大多數(shù)都是采用MATLAB/Simulink的仿真分析，其仿真速度低下且可靠性差?；赗TDS實時數(shù)字仿真儀的雙饋風機模型的仿真，可移植性差。本文采用一種基于快速原型化雙饋風機控制器研究方法，以DSP硬件為基礎(chǔ)，利用Simulink擴展工具RTW自動生成控制代碼，經(jīng)過調(diào)試后燒錄到DSP芯片中，實現(xiàn)控制器功能，這樣可以實現(xiàn)控制器的快速設(shè)計，縮短研發(fā)周期。

1DSP快速原型化控制器

1.1DSP28335簡介

本文快速原型化控制器以TMS320F28335型DSP為核心，增加一個外擴I/O板卡。TMS320F28335型數(shù)字信號處理器是一款浮點DSP控制器，與定點的DSP相比，此型號的DSP在降低成本、減小功耗的同時提高了系統(tǒng)的總體性能，增加了數(shù)據(jù)存儲量及外設(shè)的集成度，增加了A/D轉(zhuǎn)換的精確性和快速性。32位浮點處理單元，具有較高的數(shù)據(jù)處理精度，可以使用戶快速編寫控制算法，縮短開發(fā)周期[1-2]。

1.2快速原型化控制器

圖1　雙饋風機機側(cè)變流器有功無功解耦控制

本文研究的快速原型化控制器，以RTDS雙饋風機實時仿真模型機側(cè)變流器為控制對象。如圖1所示，雙饋風機機側(cè)變流器采用的是定子磁鏈定向矢量控制，通過控制交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，以達到對發(fā)電機的有功無功解耦控制[3]。

圖2　雙饋風機P wind(ω，v)曲線

如圖2所示，雙饋風機機側(cè)變流器的控制還可以實現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)，采用直接控制發(fā)電機轉(zhuǎn)速的方法，保持發(fā)電機運行在最佳葉尖速比λopt，不同轉(zhuǎn)速都有其對應(yīng)的最大功率，把此功率作為電磁功率參考值p2，當風速為v3時，實際機械功率大于電磁功率參考值，風機將加速，產(chǎn)生一個新的參考功率值，調(diào)節(jié)到功率平衡時，運行在P3(ω3，v3)，停止功率追蹤。當風速為v1時，實際機械功率小于電磁功率參考值，風機將減速，產(chǎn)生一個新的參考功率值，調(diào)節(jié)到功率平衡時，運行在P1(ω1，v1)，停止功率追蹤[4-5]。

圖3　快速原型化控制器原理圖

快速原型化控制器如圖3所示。其實現(xiàn)過程是通過采集電網(wǎng)電壓，經(jīng)過DSP的控制代碼算法后，輸出相應(yīng)的PWM脈沖，來控制機側(cè)變流器的三相橋，使之產(chǎn)生對應(yīng)的交流電壓[6]。

RTDS可以在線模擬電力系統(tǒng)的各種電力系統(tǒng)模型，設(shè)置各種電力系統(tǒng)故障，由于RTDS強大的運算能力，使仿真速度得到極大提高，且支持在線調(diào)參，實現(xiàn)了設(shè)備的快速研發(fā)和調(diào)試[7]。在RTDS實時數(shù)字仿真儀中實時運行雙饋風機模型，其網(wǎng)側(cè)換流器控制策略在RTDS中實時運行，而機側(cè)換流器的控制策略在DSP中運行。DSP中運行的代碼，首先在MATLAB/Simulink將其控制模塊建模，進行控制參數(shù)調(diào)整，待調(diào)試完成后，利用Simulink擴展工具RTW自動生成控制代碼，下載到DSP中運行。

RTDS和快速原型化控制器的硬件連接如圖4所示。RTDS通過其GTAO模擬輸出卡輸出機側(cè)變流器控制所需的參考量信號到DSP的外擴I/O板卡，在DSP接收該信號后，做代碼運算處理后，輸出PWM脈沖到RTDS的GTDI板卡中，完成整個快速原型化控制器功能。RTDS通過交換機與PC機相連，可以使用RSCAD軟件對模型進行在線調(diào)參和監(jiān)測運行狀態(tài)。DSP通過仿真器與PC機相連，可以使用CCS軟件對代碼進行修改。

圖4　RTDS和快速原型化控制器硬件連接圖

2快速原型化雙饋風機控制器實驗

圖5　風速變化時風機機端電壓

快速原型化雙饋風機控制器與RTDS相連，進行試驗驗證。此風機容量為2.2 MVA，當風速為12 m/s時，風機為額定運行狀態(tài)。在2 s時，風速從9 m/s突變?yōu)?2 m/s，風機運行狀態(tài)如下。

本實驗中，由于風機輸出無功不變，機端電壓變化不大，風機有功輸出的增加，機端電壓會有微弱的增加。

圖7　風速變化時風機轉(zhuǎn)速

在2 s時風速變化，風機輸出功率從0.8 MW逐漸上升到額定運行狀態(tài)的2 MW。

在2 s之前風速為9 m/s,風機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速0.9 pu。2 s風速增加12 m/s，轉(zhuǎn)速逐漸上升到1.2 pu。保持發(fā)電機運行在最佳葉尖速比，實現(xiàn)最大功率跟蹤。

3結(jié)論

使用DSP快速原型化控制器，并結(jié)合RTDS進行在線實時仿真，仿真結(jié)果表明，該快速原型化控制器能很好的實現(xiàn)機側(cè)變流器的有功無功解耦控制和最大功率追蹤(MPPT)。本文提及方法，使控制器的研發(fā)效率提高且是一種低成本的解決方案。

參考文獻

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余永元(1988-)，男，河南省信陽人，在校碩士研究生，電力電子與電力傳動專業(yè)，研究方向：電能質(zhì)量變換域功率變換技術(shù)。

陳康博(1989-)，男，山東省青島人，在校碩士研究生，電力電子與電力傳動專業(yè)，研究方向：電力電子與電力傳動控制技術(shù)。

袁 威(1990-)，男，四川省邛崍人，在校碩士研究生，電力電子與電力傳動專業(yè)，研究方向：電能質(zhì)量變換域功率變換技術(shù)。