基于快速原型化雙饋風(fēng)機(jī)控制器研究

肖忠云，余永元，陳康博，袁威

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

摘要：以DSP28335為控制核心，根據(jù)MATLAB/Simulink的RTW自動(dòng)生成代碼功能，實(shí)現(xiàn)雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)控制器快速原型化。在RTDS中搭建雙饋風(fēng)機(jī)一次模型，機(jī)側(cè)控制器運(yùn)行在DSP28335中，實(shí)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(shí)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(fēng)機(jī)

中圖分類號(hào)：TM464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)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(dòng)化專業(yè)，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)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(dāng)今世界亟需解決的問(wèn)題。常規(guī)的能源包括煤、石油等，它不僅是有限的，而且還會(huì)造成嚴(yán)重的大氣污染。近年來(lái)，國(guó)家大力發(fā)展可再生能源，尤其是風(fēng)力資源的發(fā)展得到重視。風(fēng)力資源具有間歇性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)的控制是一個(gè)難點(diǎn)。目前，風(fēng)電場(chǎng)大都采用變速恒頻雙饋式風(fēng)力發(fā)電機(jī)。關(guān)于雙饋式異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)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。基于RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀的雙饋風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)控制器研究方法，以DSP硬件為基礎(chǔ)，利用Simulink擴(kuò)展工具RTW自動(dòng)生成控制代碼，經(jīng)過(guò)調(diào)試后燒錄到DSP芯片中，實(shí)現(xiàn)控制器功能，這樣可以實(shí)現(xiàn)控制器的快速設(shè)計(jì)，縮短研發(fā)周期。

1DSP快速原型化控制器

1.1DSP28335簡(jiǎn)介

本文快速原型化控制器以TMS320F28335型DSP為核心，增加一個(gè)外擴(kuò)I/O板卡。TMS320F28335型數(shù)字信號(hào)處理器是一款浮點(diǎn)DSP控制器，與定點(diǎn)的DSP相比，此型號(hào)的DSP在降低成本、減小功耗的同時(shí)提高了系統(tǒng)的總體性能，增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(diǎn)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(xiě)控制算法，縮短開(kāi)發(fā)周期[1-2]。

1.2快速原型化控制器

圖1　雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)變流器有功無(wú)功解耦控制

本文研究的快速原型化控制器，以RTDS雙饋風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真模型機(jī)側(cè)變流器為控制對(duì)象。如圖1所示，雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)變流器采用的是定子磁鏈定向矢量控制，通過(guò)控制交流側(cè)輸出電壓的幅值和相位，以達(dá)到對(duì)發(fā)電機(jī)的有功無(wú)功解耦控制[3]。

圖2　雙饋風(fēng)機(jī)P wind(ω，v)曲線

如圖2所示，雙饋風(fēng)機(jī)機(jī)側(cè)變流器的控制還可以實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤(MPPT)，采用直接控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，保持發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比λopt，不同轉(zhuǎn)速都有其對(duì)應(yīng)的最大功率，把此功率作為電磁功率參考值p2，當(dāng)風(fēng)速為v3時(shí)，實(shí)際機(jī)械功率大于電磁功率參考值，風(fēng)機(jī)將加速，產(chǎn)生一個(gè)新的參考功率值，調(diào)節(jié)到功率平衡時(shí)，運(yùn)行在P3(ω3，v3)，停止功率追蹤。當(dāng)風(fēng)速為v1時(shí)，實(shí)際機(jī)械功率小于電磁功率參考值，風(fēng)機(jī)將減速，產(chǎn)生一個(gè)新的參考功率值，調(diào)節(jié)到功率平衡時(shí)，運(yùn)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(shí)現(xiàn)過(guò)程是通過(guò)采集電網(wǎng)電壓，經(jīng)過(guò)DSP的控制代碼算法后，輸出相應(yīng)的PWM脈沖，來(lái)控制機(jī)側(cè)變流器的三相橋，使之產(chǎn)生對(duì)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(qiáng)大的運(yùn)算能力，使仿真速度得到極大提高，且支持在線調(diào)參，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的快速研發(fā)和調(diào)試[7]。在RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀中實(shí)時(shí)運(yùn)行雙饋風(fēng)機(jī)模型，其網(wǎng)側(cè)換流器控制策略在RTDS中實(shí)時(shí)運(yùn)行，而機(jī)側(cè)換流器的控制策略在DSP中運(yùn)行。DSP中運(yùn)行的代碼，首先在MATLAB/Simulink將其控制模塊建模，進(jìn)行控制參數(shù)調(diào)整，待調(diào)試完成后，利用Simulink擴(kuò)展工具RTW自動(dòng)生成控制代碼，下載到DSP中運(yùn)行。

RTDS和快速原型化控制器的硬件連接如圖4所示。RTDS通過(guò)其GTAO模擬輸出卡輸出機(jī)側(cè)變流器控制所需的參考量信號(hào)到DSP的外擴(kuò)I/O板卡，在DSP接收該信號(hào)后，做代碼運(yùn)算處理后，輸出PWM脈沖到RTDS的GTDI板卡中，完成整個(gè)快速原型化控制器功能。RTDS通過(guò)交換機(jī)與PC機(jī)相連，可以使用RSCAD軟件對(duì)模型進(jìn)行在線調(diào)參和監(jiān)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)。DSP通過(guò)仿真器與PC機(jī)相連，可以使用CCS軟件對(duì)代碼進(jìn)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(fēng)機(jī)控制器實(shí)驗(yàn)

圖5　風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)機(jī)機(jī)端電壓

快速原型化雙饋風(fēng)機(jī)控制器與RTDS相連，進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。此風(fēng)機(jī)容量為2.2 MVA，當(dāng)風(fēng)速為12 m/s時(shí)，風(fēng)機(jī)為額定運(yùn)行狀態(tài)。在2 s時(shí)，風(fēng)速?gòu)? m/s突變?yōu)?2 m/s，風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如下。

本實(shí)驗(yàn)中，由于風(fēng)機(jī)輸出無(wú)功不變，機(jī)端電壓變化不大，風(fēng)機(jī)有功輸出的增加，機(jī)端電壓會(huì)有微弱的增加。

圖7　風(fēng)速變化時(shí)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速

在2 s時(shí)風(fēng)速變化，風(fēng)機(jī)輸出功率從0.8 MW逐漸上升到額定運(yùn)行狀態(tài)的2 MW。

在2 s之前風(fēng)速為9 m/s,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速0.9 pu。2 s風(fēng)速增加12 m/s，轉(zhuǎn)速逐漸上升到1.2 pu。保持發(fā)電機(jī)運(yùn)行在最佳葉尖速比，實(shí)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(jìn)行在線實(shí)時(shí)仿真，仿真結(jié)果表明，該快速原型化控制器能很好的實(shí)現(xiàn)機(jī)側(cè)變流器的有功無(wú)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。

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