风力发电的可控功率源硬件在环仿真

王丹，石新春，孙玉巍，付超

(华北电力大学 电气与电子工程学院，河北 保定 071003)

0 引言

近年来，风力发电作为一种温室气体零排放的替代能源技术，被认为有可能在未来成为新增发电量的生力军。中国是风力发电资源储量非常丰富的国家，也是最早利用风能的国家[1]。在实际应用中，由于风电场的建设投资大，耗时长，且受地域性差异影响较大，风力发电的发展受到了一定的阻碍和限制。而已建成的风电场在调试阶段进行的实验随机性较大，如季节、气候、风速、温度或湿度等的差异，会导致实验结果变化较大，无法得到稳定和有效的实验数据。

针对上述情况，本文提出了一种基于NI PXI及cRIO的可控功率源(Controllable Power Source，CPS)硬件在环仿真平台。该平台可模拟多种风电场的工作状况，具有投资少，周期短，且不受气候与地域影响的优点。实验过程中，根据不同的需求对软件进行特定的参数设计和修改，可做到实验目的明确，条件可控。此外，CPS的扩展功能强大，可模拟不同的发电系统，如在 PXI中加载光板模型，并给定辐照数据，即可对光伏系统进行模拟研究。利用该平台可在没有实际风电场的情况下，进行风力发电的相关实验研究。

文献[2]介绍了一种基于 PXI和 cRIO的车载 ESP系统，验证了此类仿真平台的可应用性，文献[3]阐述了利用Labview编程实现系统控制的测试测量技术，为系统的设计和实现提供了理论参考。

1 系统构架

1.1 系统硬件设计

可控功率源硬件在环仿真平台主要由上位机、下位机、控制器、执行器及传感器等环节构成。图1为系统结构图。

图1 CPS仿真平台系统结构

上位机为一台工业控制计算机，用于实时监控实验进程。利用Labview软件编写G语言控制及监控程序，实时显示并存储各项实验数据，包括电压采样信号、电流采样信号及功率反馈等。此外，上位机中运行Veristand子程序，向PXI中加载的风电场模型输入激励信号，如风速信号、有功功率给定及无功功率给定等。

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)作为面向仪器系统的PCI扩展，是一种总线技术，同时也是基于PC技术的模块化I/O的标准，NI公司的实时PXI平台具备比较完整的硬件体系和与之对应的软件支持。下位机采用NI PXI－8110嵌入式控制器作为PXI数字仿真平台的实时硬件目标终端，其为一款基于Intel Core 2 Quad Q9100的高性能嵌入式控制器，包含2.26 GHz四核处理器，2 GB、800 MHz DDR2内存和7 200 rpm高性能硬盘。

图2 可控功率源系统构成

利用MATLAB/Simulink搭建双反馈感应电机平均值模型(DFIG Average Model)，并构建风电场模型，作为实验的模拟对象。可在参数设置中修改风机数量及其转动惯量等数值，以适应不同容量的风电场对象，模拟不同的实验环境[4]。PXI平台上加载DFIG模型及并网控制程序，接受由人机界面给定的风速信号，实时计算风电机组的输出功率。通过Veristand子程序将功率给定通道映射至多功能IO模块NI PXI－7851R的模拟信号输出端口，并将其输出量接至可控功率源的双PWM控制器的模拟输入端口，从而实现有功与无功功率指令的给定[5]。此外，通过采集网点信号将电网的响应反馈至风电机组的数字模型中，通过相应的控制程序进行实时调节，如图2所示。

控制器采用NI cRIO 9025作为控制核心，其为一款嵌入式实时控制器，是高性能CompactRIO可编程自动化控制器(PAC)平台中的一个器件。它既具有一个800 MHz Freescale的工业实时处理器，实现着确定可靠的实时应用，也包含512 MB的 DDR2 RAM与4 GB的非易失性存储介质，用于实现程序存储与数据记录。cRIO 9025中加载双PWM控制算法，将采样得到的信号进行调理、运算，得到两组6路的PWM脉冲，分别经两块NI 9474处理后转换为IGBT可识别的驱动信号，控制双向换流器的运行状态。NI 9474是一款C系列8通道1 μs高速源极数字输出模块，它能在任何NI CompactDAQ或CompactRIO机箱中运行。每条通道都兼容5～30 V信号，并具有输出通道和地面间的2 300 Vrms瞬时过压保护，每条通道都有一个状态显示LED。

执行器是系统的功率主体部分，其为一套在背靠背(Back To Back，BTB)的双PWM换流器基础上搭建的可控功率源系统，可以根据不同的有功、无功功率给定指令调节相应的功率输出。

传感器包括直流电压霍尔传感器、交流电压传感器和交流电流传感器，分别检测双向换流器级间直流电压、网侧及输入端交流电压和交流电流，并将采样信号分别输出至cRIO背板上的NI 9205、NI 9223和NI 9215上进行信号调理，为获得良好的调节效果，软件程序上增设低通滤波器以使信号平滑、可靠，供控制器处理、运算。

1.2 系统软件设计

图3为系统的控制程序设计流程图。

图3 主控程序流程

利用 MATLAB/Simulink、Veristand及 Labview三种编程软件设计系统控制程序，并分别加载至PXI和工控机中。NI VeriStand是支持PXI的基于配置的软件开发环境，能够高效的创建实时测试系统，在第三方建模环境中，如MATLAB/Simulink中建立分布式电源的数字仿真模型，编译生成模型动态链接库，通过主机上VeriStand系统资源管理器将生成的动态链接库部署到实时PXI平台上的VeriStand实时引擎中，并通过Veristand工作区观察实时仿真运行状态。PXI VeriStand实时引擎与主机Veristand工作区的人机交互界面和激励配置文件编辑器进行即时通 信，获取模型外部参数，如风速、光照与功率调节指令 等，从而使得实时仿真能够模拟外部条件的变化[6]。如图4所示。

Labview是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言，提供成熟的G代码编程环境，构建框图形式的主控程序，并可方便的创建用户界面，使用它进行原理设计和研究可以大大提高工作效率。如图5所示。

图4 Veristand控制程序

图5 Labview控制程序

实验开始时，所有参数复位，按照图3所示的操作流程启动设备，通过观察监控界面上的相关曲线和数据，对功率指令和PI参数进行优化调节，使系统工作状态趋于稳定。

2 实验结果

可控功率源额定参数为:Pn=30 kW;Un=380 V;整流侧电感LR=1.68 mH;逆变侧LI=2.26 mH。双馈电机的主要参数为:定子电阻 Rs=0.023 pu，定子漏感 Ls=0.18 pu，转子电阻 Rr=0.016 pu，转子漏感 Lr=0.16 pu，激磁电感 Lm=2.9 pu，机组惯性系数 H=4.32 s。

图6 PC给定功率命令时系统运行状态

2.1 可控功率源特性验证

通过LabView界面上直接给定有功、无功功率指令，对基于双PWM换流器的可控功率源的控制特性进行测试。实验结果如图6所示，图6(a)为整流侧单位功率因数运行时的电压、电 流 波形;图 6(b)、(c)和(d)分别为逆变侧单位功率因数运行和发出不同有功、无功功率时的电压、电流波形。

由以上实验结果可知，可控功率源平台的有功功率和无功功率的输入、输出可以进行有效的调节，表明系统的硬件工作性能可靠、正常。

2.2 风力发电硬件在环仿真实验结果

图7为一组通过Veristand输入到 PXI风机模型中的风速曲线，风速变化范围约为5m/s～15m/s。在此风速信号的激励下，PXI计算出一组随风速变化的对应的有功功率数字信号，输出至可控功率源的功率给定接口。

图8为PXI实时仿真模型输出的功率指令与可控功率源实际响应下输出功率的对比曲线。从对比曲线可以看出，可控功率源的输出功率可快速跟随功率指令的变化，可以准确反映风电机组在风速变化条件下的功率变化特性。

3 结束语

针对分布式发电并网控制技术的实验研究，提出了一种硬件在环仿真平台，采用PXI作为数字实时仿真平台，搭建了一套基于双PWM换流器的可控功率源作为仿真系统数字部分和物理部分的功率接口。通过构建一个双馈风电机组并网混合仿真实验系统，验证了本方案的可行性。

实验表明，这种基于NI PXI及cRIO的可控功率源硬件在环仿真平台，可以准确、有效地模拟风电机组的运行状态，作为风力发电等各种新能源技术研发的前期实验平台，具有准确、高效，造价低和便于推广等优点。

[1]陶刚.中国风电企业当如何迈步[J].中国新能源，2011，3(2):29 －30.

[2]李红志.基于PXI和cRIO的电子稳定程序硬件在环仿真平台开发[J].电子设计应用，2009，8(10):74－76.

[3]张丽梅，潘海飞，吴清源.基于Labview和PXI设计通用仪器仪表综合检定系统[J].中国测试，2010，36(3):70 －73.

[4]Nicholas W.Miller，Juan J.Sanchez-Gasca，William W.Price，et al.Dynamic modeling of GE 1.5 and 3.6 MW wind turbine-generators for stability simulations[C].Conference Publications.Power，2003，3:1977－1982.

[5]Pena R，Clare J C，Asher G M.Doubly fed induction generator using back-to-back PWM converters and its application to variable speed windenergy generation[J].IEE Proceedings-Electric Power Applications.May，1996，143(3):231 － 241.

[6]黄志文，邵平，扈晓兰.基于 FPGA的 PXI高速数据采集系统设计[J].化工自动化及仪表，2010，46(5):60－63.