姜建偉，易吉良，李軍軍，張松科，江元元，王剛毅

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測試系統(tǒng)人機(jī)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜建偉，易吉良，李軍軍，張松科，江元元，王剛毅

（湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲412007）

隨著大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量的不斷增加，要求風(fēng)電系統(tǒng)具有低電壓穿越能力。研制測試低電壓穿越能力的實(shí)物裝置成本高且耗時長?；谀K化的建模思想，利用Matlab/simulink建立了風(fēng)力發(fā)電低電壓穿越仿真模型，并利用Matlab提供的GUI設(shè)計(jì)了基于圖形用戶界面的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組低電壓穿越仿真測試系統(tǒng)，采用GUI和Simulink數(shù)據(jù)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)和波形實(shí)時顯示、故障分區(qū)和偏差計(jì)算等功能。結(jié)果表明，此測試系統(tǒng)操作方便，人機(jī)交互性強(qiáng)，可以得到可信度高的仿真數(shù)據(jù)和直觀的波形曲線，以及符合標(biāo)準(zhǔn)的測試報(bào)告，是一個低成本高參考價值的軟件測試平臺。

風(fēng)力發(fā)電；低電壓穿越；測試系統(tǒng)；Matlab；GUI

0 引言

近年來，變頻恒速風(fēng)力發(fā)電技術(shù)在兆瓦級風(fēng)力發(fā)電機(jī)組上的應(yīng)用已經(jīng)非常普及。在該種發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行中，當(dāng)電網(wǎng)電壓跌落到一定數(shù)值時，如果不采取任何措施，風(fēng)電機(jī)組會被電網(wǎng)切除。這種情況在風(fēng)力發(fā)電占總?cè)萘勘炔桓叩碾娏ο到y(tǒng)還可以接受，但對主要由風(fēng)力發(fā)電機(jī)組組成的電力系統(tǒng)就會造成電網(wǎng)電壓、頻率的崩潰，給工業(yè)生產(chǎn)帶來巨大的損失。所以，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或擾動引起電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間內(nèi)，機(jī)組應(yīng)能夠保證在一定時間內(nèi)不脫網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行[1]。

通常低電壓穿越測試裝置核心部件包括電壓跌落發(fā)生裝置、控制保護(hù)系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組LVRT（low voltage ride through）實(shí)物檢測裝置存在成本巨大、耗時較長、可擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)。如采用阻抗分壓形式的電壓跌落裝置存在電壓深度不可調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)，當(dāng)功率很大時，裝置體積和重量都很大；多抽頭變壓器形式的電壓跌落裝置在設(shè)計(jì)和工藝方面要復(fù)雜很多，而且在現(xiàn)場進(jìn)行測試要求具有較強(qiáng)的抗干擾能力及較高的可靠性[2]。而采用仿真測試系統(tǒng)可以避免上述的許多客觀存在的問題，且成本低、時間短、可擴(kuò)展性強(qiáng)，所以迫切需要建立風(fēng)力發(fā)電LVRT仿真測試系統(tǒng)。

本文利用風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的數(shù)學(xué)模型，建立發(fā)電機(jī)組各子模塊仿真模型，并對各個子模塊進(jìn)行封裝。在此基礎(chǔ)上，利用Matlab/GUI技術(shù)建立人機(jī)界面，實(shí)現(xiàn)在這個平臺上不同故障類型下風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的性能測試并進(jìn)行參數(shù)的匹配，為實(shí)物測試奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 總體設(shè)計(jì)要求及內(nèi)容

本仿真系統(tǒng)通過建立仿真模型和圖形用戶界面（graphical user interface，GUI）實(shí)現(xiàn)了在不同功率范圍、不同故障類型和電壓跌落深度下的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越能力的仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，將實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，使得仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果的符合性和相近性誤差符合設(shè)計(jì)要求。

機(jī)組仿真測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括仿真模型的搭建和人機(jī)界面的設(shè)計(jì)兩大部分，各部分的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖1所示。

圖1 風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越測試系統(tǒng)組成框圖Fig.1The block diagram of wind turbines LVRT test system

仿真模型是采用Matlab/Simulink搭建實(shí)現(xiàn)的，鑒于本文主要工作是測試系統(tǒng)人機(jī)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，故僅對仿真模型中的電壓跌落模塊、保護(hù)模塊作介紹，其他模塊可參考文獻(xiàn)[2]。

電壓跌落裝置模塊分別采用基于阻抗型式和基于多抽頭變壓器型式情況建立仿真模型[3]，主要實(shí)現(xiàn)電壓跌落故障模擬的功能，可模擬各類故障下不同深度的電壓跌落實(shí)驗(yàn)，基于阻抗是通過在主電路中并聯(lián)或串聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)電壓跌落，而基于多抽頭變壓器是通過控制IGBT（insulated gate bipolar transistor）的導(dǎo)通與關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)檔位的投入與切除，不同檔位代表不同程度的電壓跌落，分別可以實(shí)現(xiàn)20%, 35%, 50%, 75%, 90%, 100%共6檔的跌落。為防止誤動，每次檔位切換必須先關(guān)斷后導(dǎo)通原則進(jìn)行。

保護(hù)裝置模塊是為了保證風(fēng)電機(jī)組和電壓跌落裝置的安全，使得在系統(tǒng)發(fā)生故障時可靠動作，而在低電壓穿越測試時不會產(chǎn)生誤動作，同時還能避過機(jī)組啟動時的尖峰電流。該模塊主要有反時限過流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過壓/欠壓保護(hù)、過頻/低頻保護(hù)及差動保護(hù)等功能[4]。在低電壓穿越時，由于轉(zhuǎn)子電流會增大數(shù)倍，為確保流過轉(zhuǎn)子側(cè)的電流和直流母線電壓在安全范圍之內(nèi)，采取了轉(zhuǎn)子Crowbar保護(hù)和直流側(cè)Crowbar保護(hù)電路，即在電流過大時，通過泄放電阻消耗轉(zhuǎn)子的過電流，達(dá)到保護(hù)轉(zhuǎn)子側(cè)變流器免受損壞的目的。

人機(jī)接口模塊主要由引導(dǎo)界面模塊、仿真主界面模塊和數(shù)據(jù)庫與報(bào)表模塊構(gòu)成。在設(shè)計(jì)過程中使用了Visual Basic和Matlab兩種編程語言，利用ActiveX技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩種編程語言所寫程序之間實(shí)時動態(tài)數(shù)據(jù)交換[5]。在仿真測試主界面中，首先在主要選項(xiàng)框中進(jìn)行參數(shù)設(shè)定即工況設(shè)定（如機(jī)組類型、故障類型、跌落幅值等），然后通過在后臺調(diào)用不同的Simulink模塊進(jìn)行仿真測試，對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示、繪制波形并對其進(jìn)行故障分區(qū)和偏差計(jì)算，最后以表格的形式生成測試報(bào)告，完成仿真測試。人機(jī)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法在第2章中詳述。

2 人機(jī)接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 人機(jī)接口設(shè)計(jì)思路

為了使測試人員能更方便地使用系統(tǒng)，通過VB程序引導(dǎo)測試人員進(jìn)入主界面。主界面是人機(jī)界面的核心，它是利用Matlab/GUI實(shí)現(xiàn)圖形界面，利用GUI和Simulink的數(shù)據(jù)交換技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)回放、報(bào)表打印等功能。

2.2人機(jī)接口引導(dǎo)界面的實(shí)現(xiàn)

引導(dǎo)界面采用VB程序編寫，主要包括歡迎界面、登陸界面、Matlab控件加載進(jìn)度條和結(jié)束界面。將編好的程序生成為可執(zhí)行文件，當(dāng)測試人員雙擊可執(zhí)行文件后進(jìn)入歡迎界面，停留2 s后即可進(jìn)入登陸界面，輸入正確的用戶名和密碼，系統(tǒng)自動加載Matlab控件進(jìn)入仿真主界面。

Matlab沒有直接提供與VB的接口，要實(shí)現(xiàn)兩者混合編程必須另外編制接口程序。目前，主要使用以下接口技術(shù)：ActiveX技術(shù)，DDE（dynamic data exchange）動態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)，DLL（dynamic link library）動態(tài)鏈接庫技術(shù)和Matrix VB技術(shù)等。以上幾種接口編程技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，ActiveX技術(shù)和DDE技術(shù)使用簡單但運(yùn)行不能脫離Matlab環(huán)境；Matrix VB技術(shù)運(yùn)行效率較低，不適合實(shí)時運(yùn)算；DLL技術(shù)運(yùn)行速度最快，但掌握較困難[6]。

本系統(tǒng)選擇ActiveX技術(shù)進(jìn)行混合編程，實(shí)現(xiàn)VB調(diào)用Matlab，首先在VB應(yīng)用程序中創(chuàng)建ActiveX對象，具體代碼為：

在VB應(yīng)用程序中創(chuàng)建了Matlab的ActiveX對象后就可以使用該對象的方法實(shí)現(xiàn)對Matlab的調(diào)用。Matlab.Application對象含有3個方法，分別是：Execute在Matlab中執(zhí)行一條命令；GetFullMatrix從Matlab中讀取一個一維或二維數(shù)組的數(shù)據(jù)；PutFullMatrix向Matlab中寫入一個一維或二維數(shù)組的數(shù)據(jù)[7]。利用這些方法可以在VB應(yīng)用程序中調(diào)用任何Matlab功能。

通過引導(dǎo)程序加載Matlab控件后，利用Execute命令執(zhí)行用GUI編寫的人機(jī)接口界面的M文件進(jìn)入主界面。

2.3 人機(jī)接口GUI圖形化主界面的實(shí)現(xiàn)

Matlab/GUI是用戶與計(jì)算機(jī)之間的交流工具，使操作更為人性化，更適合用戶的操作需求。Matlab將所有GUI支持的用戶控件都集成在這個環(huán)境中并提供界面外觀、屬性和行為響應(yīng)方式的設(shè)置方法，而且具有強(qiáng)大的繪圖功能，可以輕松獲得高質(zhì)量的曲線圖。

人機(jī)界面主要設(shè)計(jì)有仿真模型參數(shù)設(shè)置，動態(tài)波形和數(shù)據(jù)顯示，偏差計(jì)算值的報(bào)表生成等功能。整個界面具體操作如圖2所示。

圖2 人機(jī)界面操作流程圖Fig.2The operation flowchart of human-machine interface

1）設(shè)置參數(shù)。在界面上直接設(shè)置機(jī)組類型、故障類型、輸出功率狀態(tài)、電壓跌落幅值參數(shù)值、輸入跌落開始時刻、跌落持續(xù)時長、采樣步長、仿真總時長參數(shù)值，參數(shù)設(shè)置如果超出范圍，系統(tǒng)會自動彈出輸入錯誤提示框，當(dāng)參數(shù)設(shè)置完成后點(diǎn)擊仿真按鈕進(jìn)行仿真。

2）仿真。仿真是通過調(diào)用Simulink編寫的模型來進(jìn)行，在仿真過程中，可以實(shí)時顯示網(wǎng)側(cè)和機(jī)側(cè)的仿真數(shù)據(jù)，并在主界面波形顯示區(qū)以動態(tài)曲線形式直觀反映各測量參數(shù)的變化過程。

3）波形故障分區(qū)。對仿真完成后的數(shù)據(jù)或者歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將數(shù)據(jù)波形圖分為3個時段：故障前、故障期間和故障后。在故障期間和故障后時段再劃分為暫態(tài)區(qū)間和穩(wěn)態(tài)區(qū)間。

4）偏差計(jì)算。通過計(jì)算測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間的偏差，考核模型參數(shù)設(shè)定和控制策略的準(zhǔn)確程度。偏差計(jì)算的電氣量是有功功率、無功功率和無功電流。偏差計(jì)算的結(jié)果顯示在數(shù)據(jù)處理區(qū)的偏差計(jì)算值表格中。

5）報(bào)表打印。首先在Matlab用xlswrite()函數(shù)將仿真數(shù)據(jù)填入表格指定范圍，然后在VB編寫的程序中用shell()函數(shù)調(diào)用表格并將表格打開。

主界面制作包括界面設(shè)計(jì)和程序?qū)崿F(xiàn)。具體操作步驟如圖3所示。

圖3 界面設(shè)計(jì)流程圖Fig.3The flowchart for interface design

在Matlab中創(chuàng)建新的GUI，在空白模板中添加3個panel組合框控件，在主要選項(xiàng)組合框中，添加12個static text控件，作為其他控件對象的標(biāo)簽使用；4個pop-up menu控件，用來選擇不同的選項(xiàng)；4個edit text控件，用來輸入?yún)?shù)值；1個push button控件，用來進(jìn)入高級選項(xiàng)中；在數(shù)據(jù)處理組合框中，添加4個push button控件，用來對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的分析處理；2個table控件用來實(shí)時顯示數(shù)據(jù)；在波形顯示組合框中，添加6個static text控件作為標(biāo)簽使用；4個pop-up menu控件作為用來選擇需要顯示波形的參數(shù)選項(xiàng)；2個axes控件作為用來顯示波形圖形。在空白模板的左下角添加2個push button控件用來開始和停止仿真；1個axes控件用來顯示風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的圖片。完成界面布局后需要通過界面設(shè)計(jì)編輯器、屬性檢查器、對象瀏覽器對每一個控件屬性進(jìn)行設(shè)置，例如tag，string，visible，Enable，Position，Callback等屬性。最后總的界面布局效果如圖4所示。

對用戶界面的控件編寫回調(diào)函數(shù)是整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，回調(diào)函數(shù)是當(dāng)用戶觸發(fā)控件時所需執(zhí)行的函數(shù)。原則上每一個控件都應(yīng)有指定的回調(diào)函數(shù)，但對于靜態(tài)文本框基于標(biāo)簽功能可以不指定回調(diào)函數(shù)[8]。

以繪制機(jī)側(cè)有功功率為例，在開始仿真按鈕的回調(diào)函數(shù)中用編程語言實(shí)現(xiàn)填寫參數(shù)測量表和繪制波形圖。填寫參數(shù)測量表的部分主要程序代碼如下。

3 仿真實(shí)例

基于上述分析設(shè)計(jì)所完成的仿真測試系統(tǒng)軟件，為了驗(yàn)證其控制策略的有效性和可行性，選取較嚴(yán)酷的工況條件：直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組在3 s發(fā)生三相短路故障、電壓跌落幅值為35%、故障持續(xù)時間為920 ms，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

主要參數(shù)設(shè)置如圖5所示。參數(shù)設(shè)置完成后，點(diǎn)擊開始仿真按鈕進(jìn)行仿真，仿真過程中界面左下方風(fēng)機(jī)圖標(biāo)跟隨風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速而轉(zhuǎn)動，為了跟蹤仿真進(jìn)度，在風(fēng)機(jī)圖標(biāo)下方通過文本實(shí)時顯示仿真已完成的百分比，同時在界面右上方參數(shù)測量表格內(nèi)實(shí)時顯示機(jī)側(cè)和網(wǎng)側(cè)的參數(shù)測量值，在界面右下方波形顯示窗口以動態(tài)波形方式顯示參數(shù)的變化過程。

圖5 主界面仿真圖Fig.5Simulation diagram of main interface

實(shí)時仿真完成后可對波形進(jìn)行故障分區(qū)，將測試與仿真的數(shù)據(jù)分為3個階段。A：故障前；B：故障期間；C：故障后。各時段針對機(jī)側(cè)正序電壓、機(jī)側(cè)有功功率、機(jī)側(cè)無功功率和機(jī)側(cè)無功電流測試數(shù)據(jù)在電壓跌落過程中的特性，分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)區(qū)間。

判定A, B, C時段的開始和結(jié)束時刻方法如下：

1）電壓跌落前1 s為A時段開始；

2）電壓跌落至額定電壓90%時刻為A時段結(jié)束，B時段開始；

3）故障清除的開始時刻為B時段結(jié)束，C時段開始；

4）故障清除后，風(fēng)電機(jī)組有功功率開始穩(wěn)定輸出后的1 s為C時段結(jié)束。其中B時段分為B1（暫態(tài)）和B2（穩(wěn)態(tài)）區(qū)間，C時段分為C1（暫態(tài)）和C2（穩(wěn)態(tài)）區(qū)間。

完成故障分區(qū)后通過計(jì)算測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)之間的偏差，可以考核模型的準(zhǔn)確程度。計(jì)算數(shù)據(jù)偏差包括平均偏差、平均絕對偏差、最大偏差以及加權(quán)平均絕對偏差。其中，各時段暫態(tài)區(qū)間計(jì)算平均偏差和平均絕對偏差；穩(wěn)態(tài)區(qū)間計(jì)算平均偏差、平均絕對偏差和最大偏差。在偏差計(jì)算值表格中，對應(yīng)的數(shù)據(jù)是采集的數(shù)據(jù)平均值，仿真與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時對比，每個采樣點(diǎn)進(jìn)行偏差計(jì)算，在圖形中顯示3條曲線：仿真數(shù)據(jù)，實(shí)測數(shù)據(jù)，二者差值。如圖6所示。

圖6 仿真與實(shí)測數(shù)據(jù)圖形對比Fig.6Comparison chart of the simulation data and test data

從圖6可以看出，電壓、有功功率、無功功率和無功電流的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù)二者的差值在跌落前、跌落期間、跌落后均基本上保持在零值，符合設(shè)計(jì)要求。說明本文所設(shè)計(jì)的低電壓穿越測試模型是比較精確的，滿足設(shè)計(jì)需要。

4 結(jié)語

本文采用Matlab/GUI技術(shù)建立的風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越仿真測試系統(tǒng)，可以對不同電網(wǎng)電壓跌落情況進(jìn)行性能測試。仿真界面操作簡單，具有良好的可拓展性，在實(shí)際應(yīng)用中也可以根據(jù)用戶的要求進(jìn)行改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)特定的功能。為搭建風(fēng)電機(jī)組低電壓穿越的實(shí)物測試平臺提供有益的參考。

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（責(zé)任編輯：申劍）

Design and Implementation of Human-Machine Interface of LVRT Simulation Test System of Wind Turbines

Jiang Jianwei，Yi Jiliang，Li Junjun，Zhang Songke，Jiang Yuanyuan，Wang Gangyi
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

The increasing of installed capacity of large wind power generators requires the system of LVRT(low voltage ride through) ability. It is costly and time consuming to develop a physical device for LVRT test. Based on modular design idea, the LVRT simulation model of wind power was established by Matlab/simulink, and the simulation-testing system of wind turbine LVRT based on graphical user interface is designed by GUI programming environment provided by Matlab. The GUI and Simulink data exchange technology is used to achieve the parameter setting, the real-time display of waveform and data, fault partition and deviation calculation, etc. The results show that the system is easy to operate and strong human-computer interacted, and it can get the high credibility simulation data, intuitive graph curve as well as the test report in accordance with the standards, which provides a software platform with low cost and high reference value.

wind turbine； LVRT； test system；Matlab； GUI

TM307+.3

A

1673-9833(2014)04-0030-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.008

2014-02-23

國能科技基金資助項(xiàng)目（[2011]276號），湖南省自然科學(xué)株洲聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（12JJ9042）

姜建偉（1983-），男，山西忻州人，湖南工業(yè)大學(xué)碩士生，主要研究方向?yàn)橹悄軝z測和控制，E-mail：jiang_1983@hotmail.com

易吉良（1972-），男，湖南株洲人，湖南工業(yè)大學(xué)副教授，主要從事電能質(zhì)量分析，數(shù)字信號處理研究，E-mail：yi_jiliang@163.com