方 葦，錢(qián)珞江，胡玉嵐

（1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州 510600）

基于RTDS/CBuilder的DFIG通用勵(lì)磁控制模型開(kāi)發(fā)

方 葦1，錢(qián)珞江1，胡玉嵐2

（1.武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院，湖北武漢 430072；2.廣東電網(wǎng)公司電力科學(xué)研究院，廣東廣州 510600）

基于RSCAD/CBuilder采用自定義編程技術(shù)開(kāi)發(fā)一套雙饋式感應(yīng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)（DEIG）的通用勵(lì)磁控制模型。該模型控制策略依據(jù)網(wǎng)側(cè)變換器電網(wǎng)電壓定向、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器定子磁鏈定向矢量控制原理；模型的人機(jī)交互界面根據(jù)面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)理念，形成參數(shù)輸入對(duì)話(huà)框；模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行程序采用C語(yǔ)言編程技術(shù)，并針對(duì)信號(hào)相位提取、相位斜率計(jì)算給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。本文還以實(shí)例對(duì)比法對(duì)所開(kāi)發(fā)模型進(jìn)行了通用性和精確性驗(yàn)證，結(jié)果表明：該模型可便捷地應(yīng)用于不同系統(tǒng)頻率、功率等級(jí)DEIG的RTDS仿真實(shí)驗(yàn)并大幅提高建模效率。

雙饋式感應(yīng)發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁控制；實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器；自定義元件；人機(jī)交互

0　引 言

在風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域，雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)（doublyfed Induction generator，DEIG）是變速恒頻風(fēng)力發(fā)電的主流機(jī)型，其勵(lì)磁控制為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分［13］。目前，基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（real time digital simulator，RTDS），已有大量針對(duì)理想電網(wǎng)電壓條件下DEIG勵(lì)磁控制策略的研究，其中網(wǎng)側(cè)變換器采用電網(wǎng)電壓、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用定子磁鏈?zhǔn)噶慷ㄏ蚩刂撇呗砸呀?jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)試驗(yàn)［45］。但在風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)投產(chǎn)之前，為了研究DEIG勵(lì)磁控制特性，有必要在仿真平臺(tái)上構(gòu)建勵(lì)磁控制模型。當(dāng)針對(duì)不同系統(tǒng)頻率、功率等級(jí)的DEIG勵(lì)磁控制進(jìn)行建模時(shí)，由于控制參數(shù)的不同且所需的元件繁多，勢(shì)必會(huì)反復(fù)地調(diào)整控制模型以及占用過(guò)多的硬件資源，從而影響建模效率和仿真規(guī)模。

本文首先依據(jù)網(wǎng)側(cè)變換器電網(wǎng)電壓定向、轉(zhuǎn)子側(cè)變換器定子磁鏈定向矢量控制的策略，采用CBuilder自定義技術(shù)設(shè)計(jì)DEIG勵(lì)磁控制的參數(shù)輸入通用對(duì)話(huà)框；其次，針對(duì)程序設(shè)計(jì)中獲取0～2π的相位以及計(jì)算相位斜率給出相應(yīng)的解決方法，并提出自定義元件實(shí)時(shí)運(yùn)行程序的編寫(xiě)流程；最后，通過(guò)本文所開(kāi)發(fā)的通用控制模型和RTDS/RSCAD庫(kù)元件組合模型進(jìn)行仿真對(duì)比，驗(yàn)證了該DEIG通用控制模型能夠應(yīng)用于不同類(lèi)型的DEIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)。

1　DFIG勵(lì)磁控制策略

DEIG采用兩個(gè)背靠背的兩電平電壓型PWM變換器進(jìn)行交流勵(lì)磁，其運(yùn)行控制主要是對(duì)網(wǎng)側(cè)變換器和轉(zhuǎn)子側(cè)變換器的控制。為了保證直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定和輸入電流正弦，網(wǎng)側(cè)變換器一般采取電網(wǎng)電壓定向，由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)組成；轉(zhuǎn)子側(cè)變換器采用定子磁鏈定向，通過(guò)分別控制轉(zhuǎn)子電流q軸分量、d軸分量以控制定子輸出有功、無(wú)功功率，從而實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功功率的解耦控制［68］。兩側(cè)變換器的控制策略如圖1所示。

圖1　DEIG勵(lì)磁控制框架

2　DFIG通用勵(lì)磁控制模型設(shè)計(jì)

RTDS/CBuilder是RTDS公司提供的可根據(jù)需要自主開(kāi)發(fā)自定義元件的一種平臺(tái)［9］。用戶(hù)所自定義的元件由3個(gè)不同后綴的基本文件編譯后生成：.def圖形用戶(hù)界面源程序代碼文件、.h用戶(hù)輸入?yún)?shù)定義文件和.c實(shí)時(shí)運(yùn)行源程序代碼文件。其自定義元件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2　自定義元件設(shè)計(jì)流程

2.1模型輸入/輸出通道及參數(shù)定義

在設(shè)計(jì)自定義元件模型的圖形用戶(hù)界面（輸入/輸出通道）過(guò)程中，由圖1所知，網(wǎng)側(cè)變換器控制需采集的輸入量為三相電網(wǎng)電壓、三相網(wǎng)側(cè)IGBT電流、直流母線(xiàn)電壓，轉(zhuǎn)子側(cè)為三相定子電壓、三相定子電流、三相轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)子位置角。其中轉(zhuǎn)子位置角用于對(duì)轉(zhuǎn)子電流進(jìn)行定子磁鏈定向，可直接從異步電機(jī)模型內(nèi)部監(jiān)測(cè)，因而當(dāng)設(shè)計(jì)自定義模型輸入通道時(shí)將其作為輸入量。由于目前條件下自定義開(kāi)發(fā)的元件只能在大步長(zhǎng)系統(tǒng)中運(yùn)行，所設(shè)計(jì)的DEIG通用控制模型輸出量為PWM調(diào)制波。

從圖3中可看出，元件的輸入?yún)?shù)均為設(shè)備銘牌參數(shù)且其單位采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。其中：

①網(wǎng)側(cè)變換器：

Ereq—系統(tǒng)額定頻率，Hz；

POWERRATED—電機(jī)額定容量，MVA；

VACGRID—電網(wǎng)額定電壓，KV；

VSTATARATED—電機(jī)定子額定電壓，KV；

LGRID—網(wǎng)側(cè)進(jìn)線(xiàn)電抗器的電感值，H；

VCAPBSAE—直流母線(xiàn)額定電壓，KV；

②轉(zhuǎn)子側(cè)變換器：

Ereq—系統(tǒng)額定頻率，Hz；

POWERRATED—電機(jī)額定容量，MVA；

VSTATARATED—電機(jī)定子額定電壓，KV；

UOPEN_ROTO—轉(zhuǎn)子開(kāi)路電壓，KV；R_STATOR—定子電阻，Ω；

X_STATOR—定子電抗，Ω；

X_MAGNETIZING—激磁電抗，Ω；

X_ROTOR—轉(zhuǎn)子電抗，Ω。

圖3　模型參數(shù)輸入對(duì)話(huà)框

2.2實(shí)時(shí)運(yùn)行程序

當(dāng)采用CBuilder對(duì)DEIG勵(lì)磁控制進(jìn)行程序編寫(xiě)時(shí)，由于RTDS公司不會(huì)開(kāi)放其元件的源代碼，其運(yùn)行程序的編寫(xiě)過(guò)程主要存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：

①為了獲得轉(zhuǎn)差電角速度ωslip，需要計(jì)算轉(zhuǎn)子電流參考相位的斜率。由于信號(hào)相位在過(guò)零點(diǎn)處會(huì)發(fā)生階躍，這必然會(huì)導(dǎo)致斜率突變，因而必須對(duì)斜率階躍點(diǎn)進(jìn)行處理，如圖4所示。

圖4　RTDS信號(hào)相位

段落 true="1">② 由于RTDS中的信號(hào)相位處于0～2π范圍內(nèi)，其變化規(guī)律如圖4所示，當(dāng)設(shè)計(jì)數(shù)字鎖相環(huán)PLL時(shí)有必要對(duì)積分后的相位進(jìn)行處理［10］。

圖5　計(jì)算信號(hào)相位的斜率

針對(duì)難點(diǎn)2，信號(hào)相位的變化規(guī)律有兩種方式：0到2π呈正斜率、負(fù)斜率變化，如圖5所示。為了保證在不同變化規(guī)律下輸出相位在0～2π范圍內(nèi)，通過(guò)引入比較環(huán)節(jié)、選擇開(kāi)關(guān)和檢測(cè)積分值的斜率以設(shè)計(jì)PLL，其中斜率檢測(cè)環(huán)節(jié)可參考圖5中方法，信號(hào)相位提取的設(shè)計(jì)思路如圖6所示。

圖6　信號(hào)相位的提取

在解決上述兩個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)之后，依據(jù)DEIG的控制框架編寫(xiě)相應(yīng)的程序，其整體設(shè)計(jì)流程如圖7所示。DEIG通用控制模型的源程序采用C語(yǔ)言編程技術(shù)，其實(shí)時(shí)運(yùn)行源程序代碼文件（.c）主要由3段組成：STATIC區(qū)聲稱(chēng)全局變量，如積分環(huán)節(jié)中需要實(shí)時(shí)更新的變量或在CODE中數(shù)值保持恒定的變量，且參數(shù)輸入對(duì)話(huà)框中變量也為全局變量；RAM區(qū)完成全局變量的初始化以及計(jì)算；CODE區(qū)實(shí)現(xiàn)局部變量聲稱(chēng)以及主程序的編寫(xiě)。

在編寫(xiě)CODE區(qū)的主程序過(guò)程中，為了保證所編寫(xiě)的控制程序能夠應(yīng)用于不同類(lèi)型的DEIG，同時(shí)也要避免反復(fù)調(diào)整控制當(dāng)中的PI參數(shù)，先對(duì)所有采集信號(hào)進(jìn)行標(biāo)幺化，并將所有PI參數(shù)設(shè)為最佳給定數(shù)值。

圖7　DEIG勵(lì)磁控制程序設(shè)計(jì)流程

3　仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)模型的通用性和精確性，本文針對(duì)頻率為50Hz、額定功率為2.0MW的DEIG風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，建立兩組勵(lì)磁控制模型。一組為由RTDS/RSCAD庫(kù)元件組合而成的模型，另一組為基于RTDS/CBuilder所建的DEIG通用控制模型，其風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

當(dāng)保證其他控制輸入量不變時(shí)，分別在陣風(fēng)和漸變風(fēng)模型下對(duì)所建兩組勵(lì)磁控制模型進(jìn)行仿真。陣風(fēng)模型采用初始風(fēng)速為10m/s，最高風(fēng)速為14m/s，總共持續(xù)時(shí)間為2s；漸變風(fēng)模型采用初始風(fēng)速為10m/s，最高風(fēng)速為13m/s，總共持續(xù)時(shí)間為1s。并選取風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中兩組控制量作為對(duì)比，即直流母線(xiàn)電壓和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出功率，如圖8和9所示。為了驗(yàn)證程序設(shè)計(jì)當(dāng)中所采用的相位提取、斜率計(jì)算方法的正確性，在仿真過(guò)程中監(jiān)測(cè)DEIG通用控制模型內(nèi)部的定子磁鏈參考相位和轉(zhuǎn)差電角速度，如圖10和11所示。

表1　2.0MW風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)

圖8　陣風(fēng)條件下直流母線(xiàn)電壓和系統(tǒng)輸出功率仿真波形

圖9　漸變風(fēng)條件下直流母線(xiàn)電壓和系統(tǒng)輸出功率仿真波形

圖10　陣風(fēng)條件下轉(zhuǎn)差電角速度和定子磁鏈參考相位

圖11　漸變風(fēng)條件下轉(zhuǎn)差電角速度和定子磁鏈參考相位

從圖8和9可以看出，在風(fēng)速突變過(guò)程中兩組勵(lì)磁控制模型的直流母線(xiàn)電壓和系統(tǒng)輸出功率具有完全相同的變化趨勢(shì)。從圖10和11可以看出，自定義所建模型的定子磁鏈參考相位達(dá)到了RTDS庫(kù)元件相同的仿真效果。雖然自定義模型所得的轉(zhuǎn)差電角速度有些振蕩，但變化趨勢(shì)一致且不影響整體控制精度，其振蕩誤差與計(jì)算步長(zhǎng)有關(guān)。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文基于RTDS/CBuilder所開(kāi)發(fā)的DEIG通用勵(lì)磁控制模型與RTDS/RSCAD庫(kù)元件組合模型具有相同控制特性，且主程序設(shè)計(jì)中所采用的信號(hào)相位提取、斜率計(jì)算方法達(dá)到了庫(kù)元件同樣的仿真效果。該通用勵(lì)磁控制模型的參數(shù)輸入對(duì)話(huà)框能夠?qū)崿F(xiàn)在不同系統(tǒng)頻率、功率等級(jí)DEIG風(fēng)力發(fā)電建模過(guò)程中參數(shù)的靈活調(diào)整，且C語(yǔ)言運(yùn)行程序可移植于其他數(shù)字仿真器。

［1］ 賀益康，胡家兵，徐烈.并網(wǎng)雙饋異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行與控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2011.

［2］ 吳聶根，程小華.變速恒頻風(fēng)力發(fā)電技術(shù)綜述［J］.微電機(jī)，2009，42（8）：69 72.

［3］ 李晶，宋家驊，王偉勝.大型變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)組建模與仿真［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（9）：100 106.

［4］ 孫秋霞，李偉力，程鵬.電網(wǎng)波動(dòng)下雙饋風(fēng)力發(fā)電勵(lì)磁系統(tǒng)的仿真分析［J］.現(xiàn)代電力，2006，23（4）：29 34.

［5］ 劉靜波，肖文靜，周宏林，等.基于RTDS的風(fēng)電網(wǎng)側(cè)變流器半實(shí)物實(shí)驗(yàn)［J］.電力電子技術(shù)，2013，47（10）：20 21.

［6］ Anca D.Hansen，Elorin Iov，Poul Sorensen，et al. Overall control strategy of variable speed doubly-fed induction generator wind turbine［C］//Nordic Wind Power Conference，2004，1 2 March 2004.

［7］ 苑國(guó)鋒，李永東，柴建云.變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁變頻器的研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（8）：90 94.

［8］ 董琳瑯，王永，周飛.2MW雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（6）：2 4.

［9］ 賈旭東，李庚銀，趙成勇，等.基于RTDS/CBuilder的電磁-機(jī)電暫態(tài)混合實(shí)時(shí)仿真方法［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（11）：33 38.

［10］張治俊，李輝，張煦，等.基于單/雙同步坐標(biāo)系的軟件鎖相環(huán)建模和仿真［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39（11）：138 144.

（責(zé)任編輯:楊秋霞）

Development of General Excitation Control Model for DFIG Based on RTDS/CBuilder

EANG Wei1，QIAN Luojiang1，HU Uulan2
（1.School of Electrical Engineering，Wuhan University，Wuhan 430072，China；2.Guangdong Electric Power Research Institute，Guangzhou 510600，China）

In this paper，a set of general excitation control model for doubly-fed induction generator（DFIG）is developed based on RSCAD/CBuilder by using custom programming technology.The model control strategy is determined according to the grid voltage orientation of converter at grid side and the stator flux orientation of converter at rotor side.Based on object-oriented design concept，parameter input dialog box is built on man-machine interactive interface of model.The real-time operation program is compiled with C language and can provide design method for extraction of signal phase and calculation of phase slope.In the end，the versatility and accuracy of the developed model are verified with an example.Results show that the model can be applied to RTDSsimulation experiment with various types of DFIG conveniently and can improve modeling efficiency greatly.

doubly-fed induction generator（DFIG）；excitation control；real time digital simulator；custom component；man-manchine interactive

1007-2322（2015）02-0076-06

A

TM614

2014-05-19

方 葦（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)仿真及其應(yīng)用，E-mail：fangwei_whu@163.com；

錢(qián)珞江（1961—），男，副教授，博士，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)仿真及其應(yīng)用；

胡玉嵐（1974—），女，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)化。

南方電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目（K-GD2012-326）