1、基于 dSPACE 的大型风电机组系统控制器测试平台的研制迫扎与控制应闸 27,34(11)发电机组及控制 EA基于 dSPACE 的大型风电机组系统控制器测试平台的研制蒋华庆,柴建云, 曹冬宇(1.清华大学电机工程与应用电子技术系,北京 100084;2.国华能源投资有限公司,北京 100036)摘要:为了解决大型风电机组系统控制器的试验室闭环测试问题 ,利用硬件在环实时仿真技术,研制了基于 dSPACE 的全数字化测试平台 .以一台 1.5MW 变速变桨双馈风电机组的控制为例,介绍了硬件在环测试平台的搭建过程.试验结果表明,开发的测试平台能够对系统控制器的起停运转,各种运行状态的控制和切换
2、以及故障保护等功能进行有效的测试.关键词:风力发电机;控制器;硬件在环测试;实时仿真中图分类号:TM301.2:TM315 文献标识码:A 文章编号:1673-6540(2007)11-0047-04DevelopmentofaTestBenchforLarge-ScalewindTurbineControllersBasedondSPACEJIANGHuaqing,CHAIJianyun,CAODongyu(1.Dept.ofElectricalEngineering,TsinghHaUniversity,Beijing100084,China;2.GuohuaEnergyInvestmen
3、tCo.Ltd,Beijing100036,China)Abstract:Inordertohandletheproblemoflackingineffectiveclosedlooptestmethodforlarge?scalewindtur-binecontrollersinthelaboratory,afulldigitalizedtestbenchbasedondSPACEusinghardware?inthe?loop?simula?tiontechnologywasdeveloped.The1.5MWvariablespeedvariablepitchDFIGwindturbin
4、esystemwasusedasanexampletopresentindetailthedevelopmentofthebench.Theexperimentresultshowsthatourtestbenchcantestnotonlythewholerunningprocess,butalsothefaultprotectionfunction.Keywords:windturbinegenerators;controllers;hardwareintheloopsimulation;realtimesimulation0 引言系统控制器是风电机组的核心部件之一.然而目前国内的 MW
5、级变速恒频风电机组所使用的系统控制器几乎全部自国外进口.缺乏先进的测试手段是阻碍风电系统控制器国产化进程的一个重要原因.控制器样机生成之后,常规的测试方法是:在试验室只能进行简单的开环测试,而闭环测试等主要工作则不得不放在风电厂的真实风电机组上进行.这样做至少存在以下几个问题:(1)在对控制器还没有把握的情况下直接在风电机组上进行试验,设备和试验人员的安全难以保证.(2)风电厂自然环境恶劣,试验条件较差,将主要测试工作放在风电厂进行,需投入较大的人力,物力和财力.(3)风电厂现场试验的可重复性较差,给试验结果的分析带来一定的困难.(4)受自然条件的限制,某些极限保护功能如高风速保护只可能在一年
6、中少数几天进行实验.解决上述问题的途径之一是:利用硬件在环仿真技术,在试验室开发一套全数字化的风电系统控制器测试平台,使得控制器在进行真实机组测试之前就能够进行全面的闭环测试.本文利用德国 dSPACE 公司的 DS1103 型产品,以 1 台 1.5MW 变速变桨双馈风电机组的控制为例,介绍了一47发电机组及控制 iE 帐迫札与拨制应闭 2oo7,34(11)硬件在环测试平台的搭建过程,并给出了测试的试验结果.1 测试平台建模1.1 风场建模自然界的风可以用两个维度来表示.一个维度是风的幅值,可以用一种四分量模型来表示;另一个维度是风的方向,可以用角度表示.1.2 风电机组的建模风电机组由变
7、桨距风力机,变桨距执行机构,发电机,变频器,刹车系统,传动链,偏航系统等构成.1.2.1 变桨距风力机的建模变桨距风力机的功率方程如下:P=Cp(A,JB)3i其中;P风力机输出的机械功率;c.风力机的转换效率;p空气密度;A扫风面积;A叶尖线速度与风速之比,即叶尖速比;JB叶片的桨距角 .变桨距风力机建模的关键是 c.(A,JB)的建模.文献3提出了一种非线性方程近似 c.(A,JB)曲线簇的方法.Matlab7.0 中给出了基于此表达式的改进型:c(A,JB)=C1(C2JB_c4)e 一 A,i其中110.035AA+0.08JBJB+1虽然 Matlab7.0 中给出了模型中 6 个常
8、数c1 一 C6 的参考值:C1=0.5176,C2=116,C3=0.4,C4=5,C5=21,C6=0.0068,但在实际使用时,应根据风力机的特性进行适当的调整.本文利用已知的风力机特性曲线对这 6 个常数进行了最 s-乘拟合.1.2.2 发电机及变频器建模相对于电磁过程而言,系统控制器的控制周期较慢.以双馈发电机系统为例,发电机模型可选取图 1 所示的稳态等值电路模型(忽略激磁电阻),而变频器则可用理想的受控电压源近似表述.图 1 双馈异步发电机等值电路1.2.3 变桨距执行机构的建模变桨距执行机构可以采用一个惯性系统来模拟,其传递函数可以用 l/(s+1)来表示.根据文献4,1.5M
9、W 双馈机组变桨距执行机构的时间常数约为 0.15s.1.2.4 刹车系统建模大型机组一般配有两组机械刹车,根据要求可以只施加其中一组或全部施加.刹车系统根据控制指令施加相应的制动转矩.可以用下式表示:=b1?1+b2?式中:b,b2逻辑数 0 或 1;,分别表示两组刹车的制动转矩大小;整个刹车系统制动转矩的大小.1.2.5 传动链的建模在整个传动链上有风力机输出的拖动转矩,发电机的电磁转矩和刹车系统的制动转矩,列出运动方程如下:,=一一式中:.,_传动链的转动惯量;转速.1.2.6 偏航系统的建模由于偏航系统的速度较慢,且偏航系统的调节精度较低,因此可以用阶跃的匀速运动系统来模拟,如下式表示
10、:r(左偏航)=0(停止偏航)【一.(右偏航)式中:机组偏航的速度,以向左偏航为正方向;.偏航速率,大型风电机组一般取 0.5(.)/s 左右 .电弗乙与粒制应闸 2007,34(11)发电机组及控制 jEMCA1.3 传感器的建模大型风电机组中除使用压力,温度和转速等常规传感器之外,还采用了风速,风向标等特殊传感器.风速传感器一般采用永磁交流发电机.可以用 Y=klsin(k2t)来表示.其中表示风速的大小;k 和 k 两个系数由风速传感器的量程以及输出的电压范围决定.风向标传感器根据风向 0 和机组迎风方向0 来判断偏航动作的方向,如图 2 所示.图 2 风向标传感器示意图可以用下式表示风
11、向标传感器的输出:r 向右偏航(A0A0 耐)=不需偏航 (1A0lA0,)L 向左偏航(A0一 A0)其中,A0=0+180. 0,并被换算到 (一 180.,180.区间 .为避免偏航系统频繁调整,通常取在 5.左右.发电机转速传感器常采用感应式接近开关,发电机每转一圈,发出相应的脉冲数.在 Simulink 中建立的模型如图 3 所示.轮毂转速传感器的建模方法与之类似.图 3 发电机转速传感器的 Simulink 模型2 测试平台构建风场,风电机组,传感器的实时仿真模型再加上相应的 I/O 接口,就构成了风电系统控制器的硬件在环测试平台.实时仿真一般只能使用定步长算法.由于测试平台的计算
12、量较大,使用显式,单步 Euler 法计算,以保证仿真的实时性.为了减少额外的调度时间和开销,实时仿真系统采用单定时任务模式(SingleTimerTaskMode),以获得尽可能短的仿真周期.风电机组的模型中含有部分连续环节,在选取仿真步长时应充分考虑数值积分引入的截断误差所带来的影响.除此之外,根据采样定理,仿真步长还必须小于或等于各种传感器模型输出信号的最小周期的一半.对于复杂控制器的测试,一般遵循从局部到整体,从开环到闭环的顺序.硬件在环测试平台应该既可以做控制器局部的开环测试,也可以对控制器进行闭环测试.在开环测试方式下,测试平台实时仿真发出所需的各种传感器波形,用于对控制器的局部通
13、道进行测试;而在闭环测试方式下,控制器就像控制一台真实的风电机组一样,与测试平台构成闭环进行实时仿真.为了便于测试,利用 ControlDesk 可以编制相应的测试界面,在界面上可以选择测试平台运行在开环或闭环状态.3 试验结果某 1.5MW 变速变桨双馈风电机组的参数如下:额定功率 1.5MW,额定转速 1250r/min,变速运行范围 7001300r/min,折合到发电机侧的整个传动链转动惯量 1000kg?m.硬件在环测试平台的测试对象是试验室利用另一套 DS1103 型 dSPACE 实现的上述机组的虚拟系统控制器.它可以实现与真实系统控制器几乎相同的功能.图 4 给出了虚拟测试的实
14、物图.左侧 dSPACE 作为硬件在环测试平台的载体 ,右侧 dSAPCE 作为虚拟系统控制器的载体 .两者构成闭环运行.利用此硬件在环测试平台可以对虚拟系统控制器的几乎所有功能进行测试.图 5 是 ControlDesk 软件记录的硬件在环测试平台对虚拟系统控制器起动一升速一并网一小风发电一大风发电故障保护过程进行测试的波一49发电机组及控制 iEA 迫札再控制应用 2007,34(11)形,在 0t,气动刹车施加,机组处在“待机“ 状态;在 t 时刻,“待机“ 状态解除 ,桨距角往起动桨角(19.)方向调整 ,同时发电机转速上升;在 t 时刻,发电机转速上升到设定值(300r/min),起
15、动过程结束;在 t:一 t,之间,发电机转速按设定方式匀加速上升;在 t,时刻,转速上升到并网转速,发电机空载并网后逐渐加负载,机组进入低于额定风速发电状态;随着风速的增大,机组在 t 时刻姆吾 1暑蠢图 4 虚拟测试实物图1500堇 1000 纂 500.80区 05Ot|S(c)风机桨角曲线图 5 虚拟测试平台的测试波形进入高于额定风速发电状态,这时通过调整桨距角来减少风力机捕获的风能;t 时刻发生待机故障,气动刹车施加,发电机脱网,机组又进入“待机“ 状态 .4 结语由风场,风电机组和相应的传感器实时仿真模型与相应的 I/O 接口构成了风电系统控制器的硬件在环测试平台.该平台可模拟风电机
16、组的各种运行工况,完成对系统控制器进行闭环测试.在使用真实风电机组进行测试之前,发现绝大部分设计缺陷,从而大大减少了风电厂现场试验的工作量,不但加快了研制进度,而且降低了在真实风电机组上进行试验的风险.试验结果表明,本文开发的测试平台能够对系统控制器的起停运转,各种运行状态的控制和切换以及故障保护等功能进行有效的测试.利用 dSPACE 还可以实现大型风电机组系统控制器的快速控制原型开发,具体过程将另外撰文阐述.【参考文献】1HANSELM.ANNH.DevelopmentspeedupforelectroniccontrolsystemscInProceedingsoftheInternat
17、ionalCongressonTransportationElectronics,Dearborn,1998:247-261.2杨凯.风力机的实时动态电模拟系统D. 北京:清华大学,2004.3HEIERS.GridintegrationofwindenergyconversionsystemsM.England:JohnWileySonsLtd,1998.4HANSENH,HANSENA,LARSENTJ,eta1.Controldesignforapitchrequlated,variablespeedwindturbineR.Demark:RisoNationalLaboratory,2o05.5卢子广.交流电机系统硬软件混合实时仿真的研究D.北京:清华大学 ,2003.6伍小杰.并网型变桨距异步风力发电系统控制的研究与实现D. 北京:清华大学,2004.收稿日期:2007-0424
