并网双馈风力发电实时仿真控制方案研究

郭飞亚

[摘要]风力发电技术中双馈风力发电技术是目前应用最广泛的一种，并且具有非常大的应用前景，双馈异步电机并网发电典型策略为双PWM结构，这种结构下，功率器件处理的转差功率不到全部的1/3，大大减少了在功率器件上的资金投入。本文中提到了一种基于RT-LAB的双馈异步电机并网发电系统全数字实时仿真系统，并对其在双馈发电机及其配套系统设计、构建、验证与测试的效果进行了探讨。

[关键词]并网；双馈风力发电；实时仿真

[DOI]1013939/jcnkizgsc201535209

1系统构建相关模型

（1）数学模型。本设计中的双馈发电机数学模型在原有数学模型基础上，为便于讨论进行了相应的改进：电机铁心的磁滞、磁路饱和和涡流损耗的影响忽略不计；定子与转子电流高次谐波、定子与转子磁动势高次谐波分量忽略不计；按照电动机惯例选取各个物理量正方向；并将所有的转子量都折算到定子侧。进而获得了同步速旋转坐标系下的电机方程：

（2）双PWM变流器励磁矢量控制。本设计中，采用双PWM变流器进行转子电路的励磁，其中网侧变流器与电网直接相连，电流为正弦、少谐波，其输入功率因素为1，控制目标主要为维持直流电压的恒定与良好动态响应能力，能够确保发电机输出解耦的有功、无功功率。

①网侧变流器电网电压定向矢量控制。网侧变流器接入电网的结构如图1所示，其中相应的关系为：

②转子侧变流器定子电压定向矢量控制。转子侧变流器则是经单独控制定子绕组发出的有功、无功功率，并间接调节转子转速，使之在风力机特性曲线的最大风能捕获点附近运行，进而对风能进行最大程度的利用。转子侧变流器采用定子电压定向矢量控制，根据vdcidc=3vdid，采用定子电压定向、定子磁链定向的食量控制结构相同，而区别仅在磁链的计算方式上，设定子电压为常数，忽略定子电阻，则：

2仿真控制方法及系统结构

21半实物仿真

本设计中采用了半实物仿真，半实物仿真是仿真技术中置信度最高的一种，即是在仿真实现系统的仿真回路中介入部分实物来进行仿真，与其他仿真方法相比，其真实度更高。在系统中介入实物，能够实现实物在本系统中的考察，进而检验部件在该系统中的整体性能指标，进而有效的提高系统的质量与可靠性。基于半实物仿真控制系统的设计，其两个重要的阶段在于RCP快速控制原型和硬件，在半实物仿真控制系统的设计过程中，是采用RCP进行设计理念与控制算法的实时仿真的，并在产生代码后经I/O和被控的实际对象相连接，对算法的控制效果进行验证。在系统投入使用前，还需要测试控制器的控制性能，尤其是测试系统在特殊工况下的表现，而这种测试就需要通过HIL仿真来实现。测试中，将实时仿真虚拟电网等被控对象与实际控制器相连，此时可随意通过模型操作来获得常态与事故环境，从而大大减小了直接操作实际对象的危险和成本。实践证明，被控对象建模的性能检测中，HIL仿真具有很高的可信度。

22系统结构

该系统为大规模风力发电系统，是由额定功率为15MW的双馈风力发电机组成（10台）。模型包括控制部分、电部分与机械部分。采用Simulink/Simpowersystem中异步电机模拟双馈电机，以库中的标准元件替代与电网相接的变压器、平波电感。双PWM控制电压逆变器工作频率2kHz，采用RT-LAB中带时间戳的Time Stamped Bridge逆变器桥来提高响应高频脉冲驱动信号的精度，这种方式下，计算时间大大减少，在实时仿真中应用非常合适。

3仿真结果与实时性能分析

31仿真结果

设计系统基于RT-LAB半实物仿真平台进行实时仿真。为便于分析，选取风力电厂某台电机为研究对象进行了各种工况的仿真模拟，发电机系统稳定后发电机的电压稳定在额定电压575V，无功功率收敛为0，满足功率因素为1的要求。有效跟踪设定参考直流电压1250V，仅在初始阶段产生01左右的微小波动，而进入稳态后，运行良好，即采用双PWM矢量控制策略正确，电网运行稳定，并且无负面影响。

32实时性能

仿真平台利用最新分布式仿真和PC集群技术将设计系统分为六个部分，进而减轻整个系统的计算负担，六个部分分别运行于六个CPU与三台PC机上，同一PC机内的CPU经内存共享进行通信，而不同PC机之间经IEEE1394进行高速和低延时互连。将整个系统在无I/O的，步长为30us的硬实时仿真下，结果显示，基于RT-LAB仿真平台的硬实时仿真与Windows操作系统Simulink/SPS环境下离线仿真相比，加速比为240倍。

4结论

在双馈并网发电系统上进行矢量控制是一项非常重要的研究工作，是实现系统全面精细化的基础。基于RT-LAB分布式实时仿真平台搭建的双馈异步电机并网发电系统全数字实时仿真系统，能够精准的进行多方位的仿真研究，而其矢量控制策略也简单可靠，具有可靠的实用价值。

参考文献：

[1]郭旭东离网型双馈风力发电系统控制策略研究[D].长沙：中南大学，2013

[2]赵梅花双馈风力发电系统控制策略研究[D].上海：上海大学，2014

[3]付超风电并网的无功优化控制及其数模混合仿真研究[D].北京：华北电力大学，2012