CN115598994A - 一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法包括：采用受控电源将永磁直驱风机系统的背靠背换流器两侧的永磁直驱风机电气系统模型分割为CPU与FPGA两个电气子系统，将载波与脉冲宽度调制模型从所述永磁直驱风机系统的控制系统中分割作为FPGA控制子系统，而永磁直驱风机系统的控制系统中的PI双闭环控制模型作为CPU控制子系统，将分割后的永磁直驱风机系统通过CPU与FPGA联合仿真平台进行多速率电磁暂态实时仿真，并在系统间采用以太网进行异步通信。本发明降低了实时仿真平台的搭建难度和FPGA硬件资源的占用，充分利用CPU与FPGA平台的优势，使得电气模型更完善且可并行高速运算，具有小步长仿真能力，同时消除PWM波通信对实时仿真结果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术技术领域，尤其涉及一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法。
背景技术
近年来随着新能源发电技术的快速发展，永磁直驱风机系统的并网规模不断地增大，实时仿真是进行永磁直驱风机系统并网研究的重要手段，而随着电力电子技术的不断发展，电力电子器件的开关频率越来越高，使得传统基于CPU的实时仿真平台无法满足永磁直驱风机系统对小步长仿真的需求。
现场可编程门阵列缩写为Field Programmable Gate Array，FPGA，凭着其高度并行性、流水线结构、分布式内存及可重构结构成为了搭建小步长电磁暂态实时仿真平台的有效手段。
由于CPU实时仿真平台的研究已经较为成熟，能够兼容Simulink模型，电气模型较为完善，而FPGA芯片只能运行离散模型，并且其硬件资源有限，因此若单独采用FPGA芯片搭建永磁直驱风机仿真平台，永磁同步电机的离散数学建模会增加实时仿真系统搭建的难度，并且会占用较多的FPGA硬件资源，因此搭建CPU和FPGA联合仿真平台能够有效利用其各自优点、降低平台搭建难度且降低FPGA硬件资源占用。
虽然有研究者提出对含电力电子器件的电力系统进行分割，然后基于CPU与FPGA进行联合实时仿真，但其模型分割方法是将电气系统作为FPGA子系统，控制系统作为CPU子系统。因此该方法不适用于永磁直驱风机系统，所以本发明提出基于FPGA和CPU联合平台的永磁直驱风机系统多速率实时仿真方法。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有的传统基于CPU的实时仿真平台无法满足永磁直驱风机系统对小步长仿真的需求，以及单独采用FPGA芯片搭建永磁直驱风机仿真平台搭建难度高和FPGA硬件资源占用大的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：
采用受控电源将永磁直驱风机系统的背靠背换流器两侧的永磁直驱风机电气系统模型分割为CPU与FPGA两个电气子系统；
将载波与脉冲宽度调制模型从所述永磁直驱风机系统的控制系统中分割作为FPGA控制子系统，而永磁直驱风机系统的控制系统中的PI双闭环控制模型作为CPU控制子系统；
将分割后的永磁直驱风机系统通过CPU与FPGA联合仿真平台进行多速率电磁暂态实时仿真，并在系统间采用以太网进行异步通信。
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：所述永磁直驱风机系统由空气动力系统、永磁同步发电机、背靠背变流器、滤波电路、并网电路和控制电路构成。
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：所述CPU与FPGA两个电气子系统包括，
将分割后中间的背靠背换流器网络称为FPGA电气子系统，分割后两侧的背靠背换流器网络称为CPU电气子系统，基于替代定理，用受控电压源代替FPGA电气子系统，用受控电流源代替CPU电气子系统；
在CPU侧的接口处连接两个受控电压源，电压控制信号为FPGA电气子系统侧的线电压uab和ubc，FPGA电气子系统侧的接口处连接三个受控电流源，电流控制信号为CPU电气子系统侧的三相电流ia、ib、ic。
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：在所述CPU与FPGA联合仿真平台间的异步通信过程中，采用PWM等效平均的方法来消除PWM波作为平台间异步通信电气联络量时对实时仿真造成的误差。
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：所述将分割后的永磁直驱风机系统通过CPU与FPGA联合仿真平台进行多速率电磁暂态实时仿真包括，
CPU采用大步长进行仿真，FPGA采用小步长进行仿真。
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：所述FPGA子系统为FPGA电气子系统和控制子系统。
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：所述CPU子系统为CPU电气子系统和控制子系统。
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：所述CPU电气子系统的控制信号由受控电流源反馈给FPGA电气子系统，测量FPGA电气子系统分割处线电压uab、ubc，再经过PWM波等效平均化处理。
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：所述PWM波等效平均化处理包括FPGA子系统向CPU子系统发送的线电压通信信号，求取一个大步长内该信号所有小步长的平均值，并将该平均值作为电气联络量进行通信。
作为本发明所述永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其中：所述CPU电气子系统与FPGA电气子系统间将受控信号作为通信交互信号，通过千兆以太网进行传输；
所述CPU控制子系统与FPGA控制子系统间由CPU控制子系统，通过千兆以太网向FPGA控制子系统发送调制波信号进行单向通信。
本发明的有益效果：本发明通过在背靠背换流器两侧用理想变压器模型法将永磁直驱风机电气系统模型分割成CPU与FPGA系统两部分，再通过FPGA与CPU联合仿真平台进行实时仿真，该方法避免了对永磁同步电机的离散化数学建模，降低了实时仿真平台的搭建难度，对于永磁直驱风机电气系统模型，仅将背靠背换流器模型通过FPGA平台运行，因此降低了FPGA硬件资源占用。充分利用了CPU与FPGA平台各自的优势，CPU平台能兼容Simulink模型，其电气模型更加完善，FPGA能够并行高速运算，具有小步长仿真能力。采用PWM波等效平均的方法对异步通信过程中的接口通信传输进行优化，改善了异步通信过程中，PWM波通信对实时仿真结果带来的影响。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的永磁直驱风机系统图。
图2为本发明永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的背靠背换流器机侧接口电路图。
图3为本发明永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的背靠背换流器网侧接口电路图。
图4为本发明永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的控制系统切割图。
图5为本发明永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的电力电子器件离散等效示意图。
图6为本发明永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的网侧A相电流实时仿真对比图。
图7为本发明永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的直流侧电压实时仿真对比图。
图8为本发明永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的网侧输出有功功率实时仿真对比图。
图9为本发明永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的网侧输出无功功率实时仿真对比图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1～图5，为本法发明的一个实施例，提供了一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，包括：
S1：采用受控电源将永磁直驱风机系统的背靠背换流器两侧的永磁直驱风机电气系统模型分割为CPU与FPGA两个电气子系统。需要说明的是：
具体的，永磁直驱风机系统由空气动力系统、永磁同步发电机、背靠背变流器、滤波电路、并网电路和控制电路构成。
进一步的，如图2、图3所示，将分割后中间的背靠背换流器网络称为FPGA电气子系统，分割后两侧的背靠背换流器网络称为CPU电气子系统，基于替代定理，用受控电压源代替FPGA电气子系统，用受控电流源代替CPU电气子系统。
进一步的，在CPU侧的接口处连接两个受控电压源，电压控制信号为FPGA电气子系统侧的线电压uab和ubc，FPGA电气子系统侧的接口处连接三个受控电流源，电流控制信号为CPU电气子系统侧的三相电流ia、ib、ic。
S2：如图4所示，将载波与脉冲宽度调制模型从永磁直驱风机系统的控制系统中分割作为FPGA控制子系统，而永磁直驱风机系统的控制系统中的PI双闭环控制模型作为CPU控制子系统。
S3：将分割后的永磁直驱风机系统通过CPU与FPGA联合仿真平台进行多速率电磁暂态实时仿真，并在系统间采用以太网进行异步通信。需要说明的是：
进行电磁暂态实时仿真过程中，需要对FPGA部分的永磁直驱风机系统进行离散化数学建模，具体的建模方法原理如下：
具体的，为方便电力电子器件的离散化建模，本发明用的电力电子器件等效思路为：在模型中的电力电子器件导通时将电力电子器件等效为一个电容CS串联一个电阻RS，断开时将其等效为一个电感LS，为避免系统数学模型随电力电子器件状态变化而变化，电容电阻和电感取值满足：
具体的，采用梯形积分法将背靠背换流器模型中的电力电子器件与中间的电容元件进行离散化，将其离散为等效电导并联一个受控电流源。
其中，电力电子器件等效电流源受控信号由电力电子器件导通状态S决定，电力电子器件离散过程如图5所示。
具体的，电力电子器件的等效电流源Is、电导Gs与电容元件的等效电流源Ic、电导Gc数学表达式如下：
其中，T为仿真步长，n为当前时刻，n-1为上一时刻，C为电容元件电容值有，vs、is分别为电力电子器件的电压与电流，vC、iC分别为电容的电压与电流。
进一步的，将受控电流源的控制信号ia、ib、ic作为已知量，线电压uab、ubc作为未知量，通过节点分析法对离散系统模型列写节点矩阵方程得到永磁直驱风机电气系统的FPGA模型。
具体的，在CPU与FPGA联合仿真平台间的异步通信过程中，采用PWM等效平均的方法来消除PWM波作为平台间异步通信电气联络量时对实时仿真造成的误差。
进一步的，将分割后的永磁直驱风机系统通过CPU与FPGA联合仿真平台进行多速率电磁暂态实时仿真。
具体的，CPU采用大步长进行仿真，FPGA采用小步长进行仿真，CPU子系统为CPU电气子系统和控制子系统。
进一步的，CPU电气子系统的控制信号由受控电流源反馈给FPGA电气子系统，测量FPGA电气子系统分割处线电压uab、ubc，再经过PWM波等效平均化处理。
具体的，PWM波等效平均化处理包括FPGA子系统向CPU子系统发送的线电压通信信号，求取一个大步长内该信号所有小步长的平均值，并将该平均值作为电气联络量进行通信。
具体的，CPU电气子系统与FPGA电气子系统间将受控信号作为通信交互信号，通过千兆以太网进行传输，CPU控制子系统与FPGA控制子系统间由CPU控制子系统，通过千兆以太网向FPGA控制子系统发送调制波信号进行单向通信。
实施例2
参照图6～图9，为发明的另一个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是，提供了永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法的验证测试，对本方法中采用的技术效果加以验证说明。
搭建基于FPGA与CPU联合仿真平台的永磁直驱风机实时仿真模型，平台间采用千兆以太网进行数据的异步通信，在网侧设置三相接地短路故障，故障发生在第1.4s，并在经过0.2s后将故障切除，在该情景下，进行实时仿真，将通信优化前与通信优化后的实时仿真结果与相同参数的Simulink离线模型仿真结果进行对比，实时仿真对比结果如图6～图9所示，通信优化之前的模型实时仿真得到的波形与Simulink离线模型仿真结果之间存在较大的差异，而在优化之后，实时仿真波形相比优化前，与Simulink离线仿真结果之间的差距明显减小，因此可以证明本发明所采用的PWM波分段平均化的优化方法的有效性。
通过图6～图9的局部放大图能够发现，本发明搭建的永磁直驱风机多速率实时仿真系统的仿真结果与Simulink离线仿真得到的结果十分接近，由此能够证明本发明提出的基于FPGA与CPU联合仿真平台的永磁直驱风机实时仿真系统与原模型在故障情形下的动态行为具有很好的动态一致性。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于，包括：
采用受控电源将永磁直驱风机系统的背靠背换流器两侧的永磁直驱风机电气系统模型分割为CPU与FPGA两个电气子系统；
将载波与脉冲宽度调制模型从所述永磁直驱风机系统的控制系统中分割作为FPGA控制子系统，而永磁直驱风机系统的控制系统中的PI双闭环控制模型作为CPU控制子系统；
将分割后的永磁直驱风机系统通过CPU与FPGA联合仿真平台进行多速率电磁暂态实时仿真，并在系统间采用以太网进行异步通信。
2.如权利要求1所述的一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于：所述永磁直驱风机系统由空气动力系统、永磁同步发电机、背靠背变流器、滤波电路、并网电路和控制电路构成。
3.如权利要求1所述的一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于：所述CPU与FPGA两个电气子系统包括，
将分割后中间的背靠背换流器网络称为FPGA电气子系统，分割后两侧的背靠背换流器网络称为CPU电气子系统，基于替代定理，用受控电压源代替FPGA电气子系统，用受控电流源代替CPU电气子系统；
在CPU侧的接口处连接两个受控电压源，电压控制信号为FPGA电气子系统侧的线电压ua b和ub c，FPGA电气子系统侧的接口处连接三个受控电流源，电流控制信号为CPU电气子系统侧的三相电流ia、ib、ic。
4.如权利要求1所述的一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于：在所述CPU与FPGA联合仿真平台间的异步通信过程中，采用PWM等效平均的方法来消除PWM波作为平台间异步通信电气联络量时对实时仿真造成的误差。
5.如权利要求1所述的一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于：所述将分割后的永磁直驱风机系统通过CPU与FPGA联合仿真平台进行多速率电磁暂态实时仿真包括CPU采用大步长进行仿真，FPGA采用小步长进行仿真。
6.如权利要求6所述的一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于：所述FPGA子系统为FPGA电气子系统和控制子系统。
7.如权利要求6所述的一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于：所述CPU子系统为CPU电气子系统和控制子系统。
8.如权利要求1所述的一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于：所述CPU电气子系统的控制信号由受控电流源反馈给FPGA电气子系统，测量FPGA电气子系统分割处线电压ua b、ub c，再经过PWM波等效平均化处理。
9.如权利要求8所述的一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于：所述PWM波等效平均化处理包括FPGA子系统向CPU子系统发送的线电压通信信号，求取一个大步长内该信号所有小步长的平均值，并将该平均值作为电气联络量进行通信。
10.如权利要求1所述的一种永磁直驱式风力发电系统的多速率实时仿真方法，其特征在于：所述CPU电气子系统与FPGA电气子系统间将受控信号作为通信交互信号，通过千兆以太网进行传输；
所述CPU控制子系统与FPGA控制子系统间由CPU控制子系统，通过千兆以太网向FPGA控制子系统发送调制波信号进行单向通信。
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