基于dSPACE的风电变流器控制器测试方法

摘要

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。

说明书

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(RealTime Interface)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。

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

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

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

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

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

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

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：

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

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

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

从而可以得出变换器采用开关函数描述的数学模型：

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

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。