CN114153155A - 一种风力发电变流器半实物仿真平台 - Google Patents

一种风力发电变流器半实物仿真平台 Download PDF

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CN114153155A CN202111441199.8A CN202111441199A CN114153155A CN 114153155 A CN114153155 A CN 114153155A CN 202111441199 A CN202111441199 A CN 202111441199A CN 114153155 A CN114153155 A CN 114153155A
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陈志耀
王芳
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Abstract

本发明涉及一种风力发电变流器半实物仿真平台，包括上位机、控制器、实时仿真器、人机界面和示波器，上位机分别连接控制器和实时仿真器，实时仿真器还连接示波器，控制器还连接人机界面；实时仿真器，用于搭建测试所需的变流器模型；上位机，用于向变流器模型输入进行风力发电中对变流器的测试的外部数据；控制器，用于编译所需测试的开关控制策略，输出SPWM信号传输给实时仿真器；示波器，用于显示实时仿真器的输出波形；人机界面，用于生成和向控制器传输操作指令。与现有技术相比，本发明开发成本低，仿真步长更小，能够仿真出开关的电磁暂态过程，能够更加准确的仿真出开关的损耗。

Description

一种风力发电变流器半实物仿真平台
技术领域
本发明涉及风力发电变换器仿真技术领域，尤其是涉及一种风力发电变流器半实物仿真平台。
背景技术
风力发电变换器半实物仿真平台属于实时仿真平台，为了提高仿真的精度和仿真的可信程度，国外的一些公司研发出了基于FPGA的实时仿真平台。如dSPACE实时仿真系统是由德国dSPACE公司研发的控制系统仿真测试平台，与Matlab/Simulink/RTW兼容，并实现了无缝连接；RT-LAB是一种基于模型的工程设计应用平台，实现工程项目的设计、实时仿真、原型与硬件快速在回路测试；美国并行计算机公司研制开发的iHawk实时仿真工作平台是基于ConCurrent RedHawk Linux实时操作系统，支持PCI或VME总线及对称多处理器(SMP)的实时仿真计算平台。
市面上常用的商用实时仿真平台价格昂贵，且拓展操作较为复杂，若需要在商用仿真平台上进行一定的开发需要购买后续的功能；商业实时仿真器采用的架构计算资源有限，开关模型精度不足以实现暂态过程的仿真；商业实时仿真器仿真大型拓扑结构时，操作复杂且难以考虑外围电路的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在仿真平台成本高、操作复杂的缺陷而提供一种风力发电变流器半实物仿真平台。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种风力发电变流器半实物仿真平台，包括上位机、控制器、实时仿真器、人机界面和示波器，所述上位机分别连接所述控制器和实时仿真器，所述实时仿真器还连接所述示波器，所述控制器还连接所述人机界面；
所述实时仿真器，用于搭建测试所需的变流器模型；
所述上位机，用于向变流器模型输入进行风力发电中对变流器的测试的外部数据；
所述控制器，用于编译所需测试的开关控制策略，输出SPWM信号传输给实时仿真器；
所述示波器，用于显示实时仿真器的输出波形；
所述人机界面，用于生成和向控制器传输操作指令。
进一步地，所述控制器通过发出SPWM波对变流器模型中开关器件的导通关断进行控制，进而控制变流器模型中变换器的工作。
进一步地，所述控制器根据变流器模型中变换器工作的不同工况，调用预先存储的不同的控制策略，对变换器的工作进行控制。
进一步地，所述实时仿真器与控制器之间通过IO口连接，用于SPWM命令与数据的反向传输，所述实时仿真器与示波器通过DA板卡连接实现波形输出。
进一步地，所述人机界面还用于完成实验数据的采集与监测、前端数据的处理与控制、对半实物仿真平台进行可视化监控。
进一步地，所述上位机通过以太网通信连接控制器和实时仿真器；所述控制器与实时仿真器之间通过同步时钟进行同步。
进一步地，所述控制器和人机界面通过光纤通讯接口连接；所述示波器通过DA板卡与实时仿真器通过BNC接头连接。
进一步地，所述上位机执行的变流器的测试包括风力发电中低电压穿越测试、MPPT控制测试、电网电压适应性测试、孤岛检测及防护测试。
进一步地，所述上位机采用搭载了AXI CHIP2CHIP与Vivado开发套件的PC机，通过AXI CHIP2CHIP建立IP核，Vivado调用IP搭建模块生成bit流载入实时仿真器中。
进一步地，所述控制器的型号为FPGA ZYNQ 7020板卡，所述实时仿真器的型号为FPGA ZYNQ 7020板卡。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)通过自主开发控制器与实时仿真器极大地降低了仿真平台的成本。采用FPGA+FPGA的实时仿真器的架构，极大的提高了实时仿真的速度与精度。采用开关精确模型可用于实时仿真IGBT的暂态过程，更加精准的仿真出开关的损耗，以及开关损耗对暂态过程的影响。针对对于实时性要求不高的环节，采用多速率的通讯方式，降低仿真器的资源利用率，保证实时仿真的可用资源。将低电压穿越、MPPT控制、电网电压适应性(频率扰动、谐波、三相电压不平衡、电压偏差)测试、孤岛检测及防护测试等情况下变流器工况来评判变流器的工作能力，对变流器的性能进行测试，帮助改善变流器的控制策略，使得测试更加灵活。
(2)与搭建真实的风力发电机变流器测试平台相比，利用风力发电机变流器的半实物仿真平台测试变流器控制策略更加经济方便，不会造成人员伤亡；与Matlab/Simulink软件中的离线仿真模型相比，半实物仿真克服了离线仿真的非实时性，时间上可以同步，能够得到真实的反馈数据；与目前商用的实时仿真器相比，本发明开发成本低，仿真步长更小，能够仿真出开关的电磁暂态过程，能够更加准确的仿真出开关的损耗。变流器模型和工况可以根据变流器控制策略的测试需求而灵活改变，使得变流器的测试过程更加灵活。
附图说明
图1为本发明实施例中提供的一种风力发电变流器半实物仿真平台的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种风力发电变流器半实物仿真平台，用于测试不同外部工况下以内部开关动作情况的暂态过程，包括上位机、控制器、实时仿真器、人机界面和示波器，上位机分别连接控制器和实时仿真器，实时仿真器还连接示波器，控制器还连接人机界面；
实时仿真器，用于搭建测试所需的变流器模型；
上位机，用于向变流器模型输入进行风力发电中对变流器的测试的外部数据；
控制器，用于编译所需测试的开关控制策略，输出SPWM信号传输给实时仿真器；
示波器，用于显示实时仿真器的输出波形；
人机界面，用于生成和向控制器传输操作指令。
下面对各部件进行详细描述。
1、上位机
上位机采用搭载了AXI CHIP2CHIP与Vivado开发套件的PC机，用户通过AXICHIP2CHIP建立IP核，Vivado调用IP搭建模块生成bit流载入实时仿真器中。
2、控制器
采用FPGA ZYNQ 7020作为控制器，发出SPWM波对开关器件的导通关断进行控制，进而控制变换器工作。变换器开关的控制策略通过上位机下载至控制器FPGA板卡中，然后控制器通过IO口与实时仿真器连接，根据变换器工作的工况不同，使用不同的控制策略对变换器暂态工作过程进行仿真。
3、实时仿真器
实时仿真器采用自主开发FPGA ZYNQ 7020板卡，通过上位机在实时仿真器中搭建了搭建集总元件(R、L、C)，传输线路，包含暂态过程的开关，电机，变压器，分布式电源,双馈异步电机的变流器模型。其中，变流器中各元件的参数可根据不同类型的变流器和风力发电变流器工况的不同进行修改。实时仿真器与控制器之间通过IO口连接用于SPWM命令与数据的反向传输，与示波器通过DA板卡连接实现波形输出。
4、人机界面
采用基于Windows系统的触摸屏作为人机界面，使用MCGS组态软件构造和生成人机界面的监控系统。人机界面的主要功能是完成实验数据的采集与监测、前端数据的处理与控制，对半实物仿真平台进行可视化监控。
5、示波器
示波器和实时仿真器通过DA板卡连接，可以根据测试项目的不同，显示不同的数据波形，实现半实物仿真平台测试信号的可视化监控。
6、通讯环节
根据各环节对于通讯速率的要求不同，采用不同的通讯类型以节约计算资源。各环节之间的通信如图1所示，上位机通过以太网通信连接控制器和实时仿真器；控制器与实时仿真器之间采用同步时钟，PCIE通信降低通信延时；控制器和人机界面通过光纤通讯接口连接；示波器通过DA板卡与实时仿真器通过BNC接头连接，可以根据测试项目的不同，显示不同的数据波形，实现半实物仿真平台测试信号的可视化监控。
7、工作原理
在基于FPGA实时仿真器中，搭建测试所需的变流器模型。在上位机中将风力发电中低电压穿越、MPPT控制、电网电压适应性(频率扰动、谐波、三相电压不平衡、电压偏差)测试、孤岛检测及防护测试等不同工况下的外部数据载入实时仿真器。在控制器中，编译所需测试的开关控制策略，把控制器输出的SPWM信号传输给实时仿真器，把实时仿真器运行得到的数据通过FIFO传输方式传递给传回控制器中，也可以通过示波器直接观察结果波形。人机界面的存在使得使用者更直观的进行操作指令。在控制器和实时仿真器运行时，可以通过人机界面和示波器对测试信号进行可视化监控。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，包括上位机、控制器、实时仿真器、人机界面和示波器，所述上位机分别连接所述控制器和实时仿真器，所述实时仿真器还连接所述示波器，所述控制器还连接所述人机界面；
所述实时仿真器，用于搭建测试所需的变流器模型；
所述上位机，用于向变流器模型输入进行风力发电中对变流器的测试的外部数据；
所述控制器，用于编译所需测试的开关控制策略，输出SPWM信号传输给实时仿真器；
所述示波器，用于显示实时仿真器的输出波形；
所述人机界面，用于生成和向控制器传输操作指令。
2.根据权利要求1所述的一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，所述控制器通过发出SPWM波对变流器模型中开关器件的导通关断进行控制，进而控制变流器模型中变换器的工作。
3.根据权利要求2所述的一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，所述控制器根据变流器模型中变换器工作的不同工况，调用预先存储的不同的控制策略，对变换器的工作进行控制。
4.根据权利要求1所述的一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，所述实时仿真器与控制器之间通过IO口连接，用于SPWM命令与数据的反向传输，所述实时仿真器与示波器通过DA板卡连接实现波形输出。
5.根据权利要求1所述的一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，所述人机界面还用于完成实验数据的采集与监测、前端数据的处理与控制、对半实物仿真平台进行可视化监控。
6.根据权利要求1所述的一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，所述上位机通过以太网通信连接控制器和实时仿真器；所述控制器与实时仿真器之间通过同步时钟进行同步。
7.根据权利要求1所述的一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，所述控制器和人机界面通过光纤通讯接口连接；所述示波器通过DA板卡与实时仿真器通过BNC接头连接。
8.根据权利要求1所述的一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，所述上位机执行的变流器的测试包括风力发电中低电压穿越测试、MPPT控制测试、电网电压适应性测试、孤岛检测及防护测试。
9.根据权利要求1所述的一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，所述上位机采用搭载了AXI CHIP2CHIP与Vivado开发套件的PC机，通过AXI CHIP2CHIP建立IP核，Vivado调用IP搭建模块生成bit流载入实时仿真器中。
10.根据权利要求1所述的一种风力发电变流器半实物仿真平台，其特征在于，所述控制器的型号为FPGA ZYNQ 7020板卡，所述实时仿真器的型号为FPGA ZYNQ 7020板卡。
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