基于快速原型化双馈风机控制器研究

基于快速原型化双馈风机控制器研究

肖忠云，余永元，陈康博，袁威

(贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025)

摘要：以DSP28335为控制核心，根据MATLAB/Simulink的RTW自动生成代码功能，实现双馈风机机侧控制器快速原型化。在RTDS中搭建双馈风机一次模型，机侧控制器运行在DSP28335中，实现快速原型化控制器的在线调试，加快研发周期。同时仿真结果表明，该控制器控制效果较为理想。

关键词:快速原型化RTDSDSP28335双馈风机

中图分类号：TM464文献标识码：A

作者简介：肖忠云(1991-)，男，贵州省兴义人，在校硕士研究生，电气工程及其自动化专业，研究方向：电力系统运行与控制。

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、环境是当今世界亟需解决的问题。常规的能源包括煤、石油等，它不仅是有限的，而且还会造成严重的大气污染。近年来，国家大力发展可再生能源，尤其是风力资源的发展得到重视。风力资源具有间歇性、波动性的特点，风力发电机的控制是一个难点。目前，风电场大都采用变速恒频双馈式风力发电机。关于双馈式异步风力发电机控制的研究，大多数都是采用MATLAB/Simulink的仿真分析，其仿真速度低下且可靠性差。基于RTDS实时数字仿真仪的双馈风机模型的仿真，可移植性差。本文采用一种基于快速原型化双馈风机控制器研究方法，以DSP硬件为基础，利用Simulink扩展工具RTW自动生成控制代码，经过调试后烧录到DSP芯片中，实现控制器功能，这样可以实现控制器的快速设计，缩短研发周期。

1DSP快速原型化控制器

1.1DSP28335简介

本文快速原型化控制器以TMS320F28335型DSP为核心，增加一个外扩I/O板卡。TMS320F28335型数字信号处理器是一款浮点DSP控制器，与定点的DSP相比，此型号的DSP在降低成本、减小功耗的同时提高了系统的总体性能，增加了数据存储量及外设的集成度，增加了A/D转换的精确性和快速性。32位浮点处理单元，具有较高的数据处理精度，可以使用户快速编写控制算法，缩短开发周期[1-2]。

1.2快速原型化控制器

图1　双馈风机机侧变流器有功无功解耦控制

本文研究的快速原型化控制器，以RTDS双馈风机实时仿真模型机侧变流器为控制对象。如图1所示，双馈风机机侧变流器采用的是定子磁链定向矢量控制，通过控制交流侧输出电压的幅值和相位，以达到对发电机的有功无功解耦控制[3]。

图2　双馈风机P wind(ω，v)曲线

如图2所示，双馈风机机侧变流器的控制还可以实现最大功率跟踪(MPPT)，采用直接控制发电机转速的方法，保持发电机运行在最佳叶尖速比λopt，不同转速都有其对应的最大功率，把此功率作为电磁功率参考值p2，当风速为v3时，实际机械功率大于电磁功率参考值，风机将加速，产生一个新的参考功率值，调节到功率平衡时，运行在P3(ω3，v3)，停止功率追踪。当风速为v1时，实际机械功率小于电磁功率参考值，风机将减速，产生一个新的参考功率值，调节到功率平衡时，运行在P1(ω1，v1)，停止功率追踪[4-5]。

图3　快速原型化控制器原理图

快速原型化控制器如图3所示。其实现过程是通过采集电网电压，经过DSP的控制代码算法后，输出相应的PWM脉冲，来控制机侧变流器的三相桥，使之产生对应的交流电压[6]。

RTDS可以在线模拟电力系统的各种电力系统模型，设置各种电力系统故障，由于RTDS强大的运算能力，使仿真速度得到极大提高，且支持在线调参，实现了设备的快速研发和调试[7]。在RTDS实时数字仿真仪中实时运行双馈风机模型，其网侧换流器控制策略在RTDS中实时运行，而机侧换流器的控制策略在DSP中运行。DSP中运行的代码，首先在MATLAB/Simulink将其控制模块建模，进行控制参数调整，待调试完成后，利用Simulink扩展工具RTW自动生成控制代码，下载到DSP中运行。

RTDS和快速原型化控制器的硬件连接如图4所示。RTDS通过其GTAO模拟输出卡输出机侧变流器控制所需的参考量信号到DSP的外扩I/O板卡，在DSP接收该信号后，做代码运算处理后，输出PWM脉冲到RTDS的GTDI板卡中，完成整个快速原型化控制器功能。RTDS通过交换机与PC机相连，可以使用RSCAD软件对模型进行在线调参和监测运行状态。DSP通过仿真器与PC机相连，可以使用CCS软件对代码进行修改。

图4　RTDS和快速原型化控制器硬件连接图

2快速原型化双馈风机控制器实验

图5　风速变化时风机机端电压

快速原型化双馈风机控制器与RTDS相连，进行试验验证。此风机容量为2.2 MVA，当风速为12 m/s时，风机为额定运行状态。在2 s时，风速从9 m/s突变为12 m/s，风机运行状态如下。

本实验中，由于风机输出无功不变，机端电压变化不大，风机有功输出的增加，机端电压会有微弱的增加。

图7　风速变化时风机转速

在2 s时风速变化，风机输出功率从0.8 MW逐渐上升到额定运行状态的2 MW。

在2 s之前风速为9 m/s,风机转子转速0.9 pu。2 s风速增加12 m/s，转速逐渐上升到1.2 pu。保持发电机运行在最佳叶尖速比，实现最大功率跟踪。

3结论

使用DSP快速原型化控制器，并结合RTDS进行在线实时仿真，仿真结果表明，该快速原型化控制器能很好的实现机侧变流器的有功无功解耦控制和最大功率追踪(MPPT)。本文提及方法，使控制器的研发效率提高且是一种低成本的解决方案。

参考文献

[1]刘凌顺，高艳丽，张树团，等.TMS320F28335DSP原理

及开发编程[M]北京：北京航空航天大学出版社，2011：80-120

[2]张雄伟，陈亮，许光辉.DSP芯片的原理与开发应用[M].北京:电子工业出版社，2003

[3]宋卓彦, 王锡凡, 滕予非, 等. 变速恒频风力发电机组控制技术综述[J].电力系统自动化, 2010, 34(10):8-17

[4]赵梅花，范敏，陈军，钟沁宏. 双馈风力发电系统MPPT控制[J].电气传动，2014,44(3)：32-35

[5]Datta R，Ranganathan V T. A method of tracking the peak power points for a variable speed wind energy conversion system[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion，2003，18(1)：163-168

[6]方正，张淇淳，齐玉成.基于DSP的快速控制原型系统[J].东北大学学报(自然科学版)，2009,30(8):1 069-1 073

[7]叶林，杨仁刚，杨明浩，Rick Kuffel, 林华谘. 电力系统实时数字仿真器RTDS[J].电力电气，2004(7)：49-52

余永元(1988-)，男，河南省信阳人，在校硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向：电能质量变换域功率变换技术。

陈康博(1989-)，男，山东省青岛人，在校硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向：电力电子与电力传动控制技术。

袁 威(1990-)，男，四川省邛崃人，在校硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向：电能质量变换域功率变换技术。