CN105550115A - 基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的是一种基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，涉及一种风电变流器控制器的测试方法，其方法为：将dSPACE配置为风电变流器、电网、发电机等被控对象，通过接口电路与变流器控制器互联，从而对风电变流器控制器的硬件及软件进行测试。该测试方法属于半实物仿真，与纯仿真相比，由于控制器是产品级的控制器，该测试方法能够对控制算法和控制器的硬件进行测试，并且能够对控制代码进行测试；与现场试验相比，该测试方法方便进行各种极限实验例如断相、短路等可能对变流器造成损坏的实验、测试费用比较昂贵或者试验条件难以搭建的试验如低电压穿越、高电压穿越测试、电网适应性测试等。本发明适用于风电变流器控制器软硬件的测试。

Description

基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法

技术领域

本发明涉及一种风电变流器控制器的测试方法，属于新能源并网发电技术领域。

背景技术

目前对风电变流器控制器的测试方法主要有以下两种：

一是利用仿真软件如Matlab/Simulink、PSCAD等进行仿真测试，这种测试方法可以方便制造各种试验工况，对控制策略进行验证；然而，这种测试方法不能对控制器硬件进行验证，并且验证通过的控制策略需要先转化为控制器代码，再进行详细的现场测试，才能够应用到产品中。控制策略到控制器代码的转化不可避免人为操作的失误，并且仿真中只是验证部分核心控制策略，其它简单的辅助功能仍需现场测试。因此，这种完全基于仿真软件的测试方法比较适用于新控制策略的初步评估测试。

二是在现场进行测试，这种测试方法能够较全面地对变流器控制器的软硬件进行测试，测试通过后的控制器可以直接应用于产品，但对于一些极限实验(例如断相、短路等可能对变流器造成损坏的实验)、测试费用比较昂贵或者试验条件难以搭建的试验(如低电压穿越、高电压穿越测试、电网适应性测试等)，现场进行实测的成本过高、安全性难以确保。

发明内容

为弥补以上两种测试方法的不足，本发明目的是提出了一种基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，本发明除了能够对控制算法进行测试外，还能对控制器的硬件进行测试，并且能够对控制代码进行测试，方便进行各种极限实验、测试费用比较昂贵或者试验条件难以搭建的试验。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，该测试方法属于半实物仿真，其方法为：将dSPACE配置为风电变流器、电网、发电机等被控对象，通过接口电路与变流器控制器互联，从而对风电变流器控制器的硬件及软件进行测试。其具体方法按照以下步骤进行：

步骤一、利用SystemGenerator搭建风电变流器、电网、发电机等被控对象的数学模型，并进行测试，确保数学模型的准确性。

由于风电变流器的开关频率通常在2kHz～5kHz之间，为保证仿真的准确性，就要求被控对象的仿真步长为在10微秒以内，而dSPACE配置的处理器DS1005、DS1006等主处理器不能满足如此小的仿真步长，只有利用FPGA板卡DS5203才能满足10微秒以内的仿真步长。因此，在搭建被控对象的数学模型时，不能采用Simulink提供的模块，而要采用SystemGenerator软件将Xilinx公司开发的工具箱嵌入到Simulink库中，来进行建模和仿真。

步骤二、根据dSPACE的硬件接口和风电变流器控制器的接口特性设计接口电路，并进行测试，确保输入输出接口的可靠性与准确性。

由于不同控制器的接口电量范围不一致，需要根据具体控制器具体设计。

步骤三、将被控对象的数学模型下载至dSPACE的FPGA板卡DS5203中，变流器控制器通过接口电路与dSPACE互联，并搭建人机交互界面对控制器软硬件进行测试。

首先对FPGA代码进行编译，然后利用dSPACE的实时接口库RTI(RealTimeInterface)与Mathworks的RTW(Real-TimeWorkshop)共同生成dSPACE需求的可执行代码并下载，最后利用dSPACE实时仿真系统自带的人机交互界面开发软件ControlDesk进行控制器的测试。

本发明将dSPACE配置为风电变流器、电网、发电机等被控对象，通过接口电路与变流器控制器互联，从而对风电变流器控制器的硬件及软件进行测试。该测试方法属于半实物仿真，与纯仿真相比，由于控制器是产品级的控制器，该测试方法除了能够对控制算法进行测试外，还能对控制器的硬件进行测试，并且能够对控制代码进行测试；与现场试验相比，该测试方法方便进行各种极限实验、测试费用比较昂贵或者试验条件难以搭建的试验。

附图说明

图1为本发明基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法逻辑示意图。

图2为本发明基于dSPACE的双馈风电机组数学模型接口逻辑示意图。

图3为本发明电网等效模型。

图4为本发明网侧变换器主电路。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1，本发明提出了一种基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，该测试方法将dSPACE配置为风电变流器、电网、发电机等被控对象，通过接口电路与变流器控制器互联，从而对风电变流器控制器的硬件及软件进行测试。具体实施方式如下：

一、被控对象数学模型的建立。

由于双馈机组和直驱机组的建模原理是一致的，因此下面仅以双馈风电机组为例详述被控对象的数学模型的搭建的具体过程。

dSPACE搭建的被控对象包括双馈电机、转子侧变流器、直流环节、网侧变流器、电网。其输入输出接口逻辑图如图2所示，图中变量含义如下：T_em：电磁转矩；U_rotor：转子电压；U_stator：定子电压；U_net：电网电压；I_rotor：转子电流；I_stator：定子电流；ω_m：转子机械角速度；θ_m：转子转动的机械角度；U_dc：直流母线电压；e_abc：电网电势；S_r：转子侧变流器控制脉冲；S_n：网侧变换器控制脉冲，T_em为电磁转矩，p为电机极对数，R_s为电机定子电阻、R_r为电机转子电阻。

(1)双馈电机数学模型的建立

定子采用发电机惯例，定子电流以流出为正；转子采用电动机惯例，转子电流以流入为正。由于电机转子的旋转运动，定转子间的互感为定转子间相对位置角的余弦函数，因此双馈电机与一般感应电机一样具有非线性、时变性、强耦合的特点，分析和求解比较困难。为了简化分析和应用，通常采用双馈电机在同步旋转坐标系下的数学模型。

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{sd}={\mathrm{D\ψ}}_{sd}-{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{sq}-R_s{i}_{sd}\\ u_{sq}={\mathrm{D\ψ}}_{sq}+{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ψ}}_{sd}-R_s{i}_{sq}\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{rd}={\mathrm{D\ψ}}_{rd}-{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ψ}}_{rq}+R_r{i}_{rd}\\ u_{rq}={\mathrm{D\ψ}}_{rq}+{\mathrm{\ω}}_2{\mathrm{\ψ}}_{rd}+R_r{i}_{rq}\end{array}\right.---\left(2\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sd}=-L_s{i}_{sd}+L_m{i}_{rd}\\ {\mathrm{\ψ}}_{sq}=-L_s{i}_{sq}+L_m{i}_{rq}\end{array}\right.---\left(4\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{rd}=L_r{i}_{rd}-L_m{i}_{sd}\\ {\mathrm{\ψ}}_{rq}=L_r{i}_{rq}-L_m{i}_{sq}\end{array}\right.---\left(4\right)$

T_em＝1.5pL_m(i_sqi_rd-i_sdi_rq)(5)

其中，u_sd、u_sq、i_sd、i_sq、ψ_sd、ψ_sq分别是定子电压、电流和磁链的d、q轴分量；u_rd、u_rq、i_rd、i_rq、ψ_rd、ψ_rq分别是转子电压、电流、磁链的d、q轴分量；L_m、L_s、L_r分别为互感、定转子自感；ω₁、ω₂分别为同步角速度和转差角速度；D为微分算子。

按照发电机惯例规定正方向，运动方程可以表示为

$T_L-T_{em}=J\frac{d^2{\mathrm{\θ}}_m}{d^{2}t}+R_{\mathrm{\Ω}}\frac{{\mathrm{d\θ}}_m}{dt}---\left(6\right)$

上式中T_L：机械负载转矩；J：转动惯量；R_Ω：旋转阻力系数。

(2)电网数学模型的建立

电网的等效模型可以视为一个理想三相源串联一个电感和一个电阻，如图3所示。

理想三相源可以表示为：

记电源电抗为L，电阻值为R，则电网输出电压可以表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_a=e_a+L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}+{\mathrm{Ri}}_a\\ u_b=e_b+L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}+{\mathrm{Ri}}_b\\ u_c=e_c+L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}+{\mathrm{Ri}}_c\end{array}\right.---\left(8\right)$

(3)变换器模型建立

网侧变换器的的主电路如图4所示。图中，e_a、e_b、e_c分别为电网电压；i_a、i_b、i_c分别为变换器交流侧输入电流；i_dc为变换器直流侧电流；i_L为负载电流；U_dc为直流母线电压；L为进线电感；R为包括电感电阻在内的每相线路电阻；C为直流母线电容，为微分运算。

根据图4所示的拓扑结构，首先根据基尔霍夫电压定律列写回路电压方程，得

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}+{\mathrm{Ri}}_a=e_a-(s_a{U}_{dc}+U_{NO})\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}+{\mathrm{Ri}}_b=e_b-(s_b{U}_{dc}+U_{NO})\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}+{\mathrm{Ri}}_c=e_c-(s_c{U}_{dc}+U_{NO})\end{array}\right.---\left(9\right)$

式中，s_k(k＝a，b，c)为三相桥臂的单极性二值逻辑开关函数：s_k＝1表明上桥臂导通，下桥臂关断；s_k＝0表明下桥臂导通，上桥臂关断。

考虑三相三线制平衡系统，则有

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a+e_b+e_c=0\\ i_a+i_b+i_c=0\end{array}\right.---\left(10\right)$

联立以上四个公式，可以得出直流侧负极点至变压器中性点的电压U_NO公式为：

$U_{NO}=-\frac{V_{dc}}{3}\underset{k=a,b,c}{\Σ}{s}_k---\left(11\right)$

对直流侧电容正极点应用基尔霍夫电流定律，得

$C\frac{{\mathrm{du}}_{dc}}{dt}=i_{dc}-i_L---\left(12\right)$

其中，变换器直流侧电流i_dc为

$i_{dc}=\underset{k=a,b,c}{\Σ}{s}_k{i}_k---\left(13\right)$

从而可以得出变换器采用开关函数描述的数学模型：

$\left\{\begin{array}{c}L\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}+{\mathrm{Ri}}_a=e_a-(s_a-\frac{1}{3}\underset{k=a,b,c}{\Σ}{s}_k)U_{dc}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}+{\mathrm{Ri}}_b=e_b-(s_b-\frac{1}{3}\underset{k=a,b,c}{\Σ}{s}_k)U_{dc}\\ L\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}+{\mathrm{Ri}}_c=e_c-(s_c-\frac{1}{3}\underset{k=a,b,c}{\Σ}{s}_k)U_{dc}\\ C\frac{{\mathrm{dU}}_{dc}}{dt}=\underset{k=a,b,c}{\Σ}{s}_k{i}_k-i_L\end{array}\right.---\left(14\right)$

机侧变换器与网侧变换器的建模方法类似，此处不再详述。

二、变流器控制器与dSPACE接口电路设计。

变流器控制器的型号多样，其输入输出接口特性并不完全一致，因此需要设计信号调理电路进行匹配。接口电路的设计要根据具体控制器的接口具体设计，此处不再赘述。

三、人机交互界面的搭建。

根据实际测试需求用ControlDesk搭建人机交互界面，界面较多，这里不再一一给出。

本发明涉及的是风电变流器控制器的测试方法，其将dSPACE配置为风电变流器、电网、发电机等被控对象，通过接口电路与变流器控制器互联，从而对风电变流器控制器的硬件及软件进行测试。该测试方法属于半实物仿真，与纯仿真相比，由于控制器是产品级的控制器，该测试方法能够对控制算法和控制器的硬件进行测试，并且能够对控制代码进行测试；与现场试验相比，该测试方法方便进行各种极限实验例如断相、短路等可能对变流器造成损坏的实验、测试费用比较昂贵或者试验条件难以搭建的试验如低电压穿越、高电压穿越测试、电网适应性测试等。本发明适用于风电变流器控制器软硬件的测试。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，其特征在于：其方法为：将dSPACE配置为被控对象，通过接口电路与变流器控制器互联，从而对风电变流器控制器的硬件及软件进行测试；其具体方法如下：

步骤一、利用SystemGenerator搭建被控对象的数学模型，并进行测试，确保数学模型的准确性；

步骤二、根据dSPACE的硬件接口和风电变流器控制器的接口特性设计接口电路，并进行测试，确保输入输出接口的可靠性与准确性；

步骤三、将被控对象的数学模型下载至dSPACE的FPGA板卡DS5203中，变流器控制器通过接口电路与dSPACE互联，并搭建人机交互界面对控制器软硬件进行测试。

2.根据权利要求1所述的基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，其特征在于：步骤一中，所述搭建被控对象的数学模型采用SystemGenerator软件将Xilinx公司开发的工具箱嵌入到Simulink库中，来进行建模和仿真。

3.根据权利要求1所述的基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，其特征在于：步骤三中，所述的被控对象的数学模型下载，需要首先对FPGA代码进行编译，然后利用dSPACE的实时接口库RTI与Mathworks的RTW共同生成dSPACE需求的可执行代码并下载。

4.根据权利要求1至3任意一项所述的基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，其特征在于：上述被控对象为风电变流器、电网、发电机。

5.根据权利要求4所述的基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，其特征在于：当被控对象为风电变流器组时，所述步骤一中，搭建数学模型的被控对象包括双馈电机、转子侧变流器、直流环节、网侧变流器、电网。

6.根据权利要求5所述的基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，其特征在于：搭建双馈电机在同步旋转坐标系下的数学模型为：

T_em＝1.5pL_m(i_sqi_rd-i_sdi_rq)(5)

其中，u_sd为定子电压d轴分量，u_sq为定子电压q轴分量，i_sd为定子电流d轴分量，i_sq为定子电流q轴分量，ψ_sd、ψ_sq分别是磁链的d、q轴分量；L_m、L_s、L_r分别为互感、定转子自感；ω₁、ω₂分别为同步角速度和转差角速度；D为微分算子，T_em为电磁转矩，p为电机极对数，R_s为电机定子电阻、R_r为电机转子电阻。

7.根据权利要求6所述的基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，其特征在于：按照发电机规定的正方向，运动方程表示为

上式中T_L：机械负载转矩；J：转动惯量；R_Ω：旋转阻力系数；θ_m：转子转动的机械角度。

8.根据权利要求5所述的基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，其特征在于：搭建电网的数学模型为：

三相源方程为：

记电源电抗为L，电阻值为R，则电网输出电压表示为：

其中：U_m为电网相电压幅值，θ为电网电压A相相位，L为电网等效阻抗的电感值，e_a、e_b、e_c分别为电网相电压，i_a、i_b、i_c分别为三相入网电流，R为电网等效阻抗的电阻值，为微分运算。

9.根据权利要求5所述的基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法，其特征在于：搭建网侧变换器的数学模型方法如下：

首先，根据基尔霍夫电压定律列写回路电压方程，得

式中，s_k为三相桥臂的单极性二值逻辑开关函数，其中k＝a，b，c：当s_k＝1表明上桥臂导通，下桥臂关断；当s_k＝0表明下桥臂导通，上桥臂关断；

然后，根据三相三线制平衡系统，则有

由公式(9)和公式(10)，得出

此后，对直流侧电容正极点应用基尔霍夫电流定律，得

其中，变换器直流侧电流i_dc为

最后，得出变换器采用开关函数描述的数学模型：

其中：e_a、e_b、e_c分别为电网电压；i_a、i_b、i_c分别为变换器交流侧输入电流；i_dc为变换器直流侧电流；i_L为负载电流；U_dc为直流母线电压；L为进线电感；R为包括电感电阻在内的每相线路电阻；C为直流母线电容，U_NO为直流侧负极点至变压器中性点的电压。