Döngüdeki güç donanımı çift beslemeli rüzgar türbini simülasyon sistemi
Gömülü kontrol sistemi yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak tasarım karmaşıktır, iş bölümü ayrıntılıdır, roller çoktur, tasarım aşamaları birbirinden izole edilmiştir, tekrarlayan emek ciddi, yatırım büyüktür, geliştirme döngüsü uzun, manuel programlamanın verimliliği ve hata oranı büyüktür ve insan faktörü büyüktür, hata kontrolü ve düzeltme Maliyet büyük. Yüksek kaliteli gömülü kontrol sistemlerinin hızlı, verimli ve uygun maliyetli bir şekilde nasıl geliştirileceği, katılımcıların odak noktası haline geldi. Model Tabanlı Tasarım (MBD) esaslı sistem geliştirme konsepti, gömülü kontrol sistemi geliştirme teknolojisi alanındaki değişiklikler gibi kademeli olarak katılımcılar tarafından kabul edilmektedir.
Çift beslemeli rüzgar enerjisi üretim sistemi, tipik bir güç donanımına gömülü kontrol sistemidir.Kontrol yöntemi esnektir.Farklı uygulama ortamları ve farklı kontrol hedefleri altında farklı kontrol algoritmalarına sahiptir.Ancak, temel donanım topolojisi çok fazla değişmemiştir ve büyük ölçüde iyileştirilebilir. Teorik algoritmadan fiziksel doğrulamanın verimliliğine kadar, çeşitli çalışma koşullarında test daha düşük bir maliyetle de tamamlanabilir.
1 Model tabanlı geliştirme süreci
MBD, gömülü kontrol sistemini, tümü belirsiz olan kontrol nesneleri, kontrolörler ve kontrol algoritmalarına ayırır ve sistem tasarımının her aşamasında tamamlanması gereken üç ihtiyacın kapsamlı bir şekilde doğrulanması. Şekil 1'de gösterildiği gibi, ana süreç aşağıdaki döngü içi doğrulama aşamalarına bölünebilir:
(1) Model In Loop (MIL): Sistem tasarım aşamasında gereksinim analizi, sistem fonksiyon analizi, iletişim, gereksinim onayı ve fonksiyon, topolojik yapı ve algoritma teorisi doğrulaması.
(2) Yazılım Döngüsü (SIL): Kodun tutarlılığını ve orijinal modelin yürütme etkisini doğrulamak için MIL aşamasındaki modelden ilgili platform kodunu otomatik bir kod oluşturma aracı aracılığıyla oluşturun.
(3) İşlemci Döngüsü (PIL): SIL, çevrimdışı gerçek zamanlı olmayan bir doğrulamadır. Asıl kontrol yürütüldüğünde, gerçek platformdan ve kontrol nesnesinden, özellikle işlemci kaynak kısıtlamalarından etkilenecektir. Hedef işlemciden sonra işlemci planını değerlendirin.
(4) Hızlı Kontrol Platformu (RCP): Yüksek performanslı bir kontrolör kullanılarak, model otomatik bir kod oluşturma aracı aracılığıyla platform koduna dönüştürülür ve daha sonra kontrol algoritmasını ve topolojiyi hızlı bir şekilde doğrulamak için gerçek nesneyi kontrol etmek için döngüye yüklenir. , Kapalı döngü süreci.
(5) Döngüde Donanım (HIL): Prototip test doğrulaması, fiziksel ortam, test koşulları ve test maliyeti ile sınırlandırılacaktır ve kontrol nesnesini simüle etmek için genel amaçlı bir kontrolör kullanılır.
Çift beslemeli rüzgar enerjisi sistemi, tipik bir güç donanımı gömülü kontrol sistemidir.MMBD, RCP, HIL ve Power Electronic Building Blocks (PEBB) kombinasyonu, sistemin araştırma ve geliştirmesini iyileştirmeye yardımcı olan çift beslemeli rüzgar türbini simülasyon sistemine uygulanır. etkililik.
2 Çift beslemeli rüzgar enerjisi donanım içinde döngü simülasyon sistemi yapısı
Çift beslemeli rüzgar enerjisi üretiminin şebekeye bağlı sistemi temel olarak rüzgar türbinleri, dişli kutuları, çift beslemeli motorlar, makine tarafı dönüştürücüler, şebeke tarafı dönüştürücüler, LC filtre devreleri, izolasyon transformatörleri ve güç şebekelerinden oluşur. Sistem topolojisi Şekil 2'de gösterilmektedir.
Deneysel maliyet ve rahatlık dikkate alınarak, fan ve dişli kutusu, programlanabilir kontrollü bir elektrikli tahrik platformu tarafından simüle edilir. Bu makale, gerçek bir fanı simüle etmek için evrensel vektör invertör ABB-ACS550-01-031A tarafından kontrol edilen üç fazlı asenkron motor YVP132M-4-7.5 kW'ı benimser. 1500 dev / dak hıza, 5 kW güce, 380 V stator yan gerilimine ve 1100 V rotor yan gerilimine sahip özelleştirilmiş çift beslemeli bir motor kullanır. Makine tarafı dönüştürücü ve şebeke tarafı dönüştürücü, 10 kHz anahtarlama frekansına sahip simetrik arka arkaya IGBT üç fazlı köprülerdir.Kontrol, gerçek kontrolör ve gerçek zamanlı simülatör tarafından birlikte kontrol edilir. Gerçek denetleyici, çekirdek CPU çözümü olarak TMS320F28335'i ve yardımcı insan-makine arabirimi denetimi olarak STM32F103'ü kullanır. Gerçek zamanlı denetleyici, YXSPACE, DSPACE, NI genel amaçlı denetleyicileri ve diğer gerçek zamanlı hızlı prototip denetleyicileri seçebilir. Bu makale, kontrol için gerçek zamanlı simülatörler olarak NI genel amaçlı denetleyicileri kullanır . Donanım devresinde, PWM sürücü sinyali, koruma sinyali, voltaj ve akım analog sinyali, gerçek kontrolörün eşdeğer kontrolünü ve sistem kontrolündeki gerçek zamanlı simülatörün eşdeğer kontrolünü gerçekleştirmek için sinyal transfer kartından çoklu geçirilir. Her kontrolör tarafından gerçekleştirilen işlevler, gerçek araştırmaya göre yapılandırılır. Bu örnekte, PWM sürücü çıkışı gerçek zamanlı bir simülatör tarafından kontrol edilir ve koruma ve mantık, gerçek kontrolör tarafından kontrol edilir. Gerçek zamanlı simülatörün programı, Simulink simülasyon modeli kullanılarak otomatik olarak oluşturulur. Elektrik şebekesi parçası, iki yönlü bir AC programlanabilir analog kaynağı veya gerçek bir elektrik şebekesi kullanabilir.Bu makalede, gerçek elektrik şebekesi, 380 V'luk bir anma gerilimi ile kullanılır.
3 Simulink'e dayalı çevrimdışı simülasyon
Simulink'in çevrimdışı simülasyonu, MBD'nin MIL'ine karşılık gelir.Sistemin çevrimdışı simülasyon modeli esas olarak rüzgar hızı, fan, dişli kutusu, çift beslemeli motor, rotor tarafı dönüştürücü, şebeke tarafı dönüştürücü ve elektrik şebekesinden oluşur. Modellerin doğruluk gereksinimleri tamamen tutarlı değildir. Simulink altında kurulan çevrimdışı simülasyon modeli Şekil 3'te gösterilmektedir ve simülasyon dalga formunun bir kısmı Şekil 4'te gösterilmektedir.
4 Rüzgar modelinin döngü içinde güç donanımı simülasyonu
Rüzgar enerjisi üretiminin fiziksel doğrulaması çevreden, doğal faktörlerden, hava koşullarından vb. Etkilenir ve saha testleri zordur Bu nedenle, gerçek rüzgar türbininin çalışma özelliklerini simüle etmek için eşdeğer bir simüle edilmiş rüzgar türbini sistemi inşa edilebilir. MIL ile gerçek çalışma koşulları arasında büyük bir boşluk var ve simülasyon sonuçları gerçeği doğrulamak için yeterli değil Simüle edilmiş eşdeğer rüzgar türbini sistemi, gerçeğe daha yakın olan gerçek bir güç seviyesi sinyalidir. Sonraki aşamadaki dönüştürücü ve güç şebekesi gerçek sistemle tutarlıdır. . Bu metin, çevrimdışı simülasyon modelinde rüzgar hızını, pervaneyi ve dişli kutusunu simüle etmek için vektör frekans dönüştürme hızı düzenleme sistemini kullanır.Sistem yapısı Şekil 5'te gösterilmiştir. Üst bilgisayar rüzgar hızı modelini ve fan modelini ayarlar, USB üzerinden RS232 seri portuna evirici ile iletişim kurar, vektör çevirici hedef kontrol torkunu alır, asenkron motor çıkışını kontrol eder ve hız ve tork toplama cihazı Ethernet haberleşmesi ile üst bilgisayara geri döner.
Vektör invertörü, PC tarafından tork komut girişine göre gerçek zamanlı ayar yapar. İletişim alımı ve talimat yürütmenin iki bağlantısı, döngü içi donanım sistemindeki iki darboğazdır. Doğadaki rüzgar hızı değişiklikleri genellikle nispeten yavaştır ve ikinci seviye simülasyon adım uzunluğu gerçek rüzgar hızına yaklaşabilir Ancak, eğer geçici simülasyon rüzgar türbininin özelliklerini incelemekse simülasyon adım uzunluğu nispeten büyük distorsiyona neden olacaktır. Bu nedenle, HIL'deki donanım denetleyicisinin yanıt çıktı özellikleri ve gerçek zamanlı iletişim iki temel göstergedir.
5 Dönüştürücü kontrol algoritmasının hızlı prototip geliştirme
Bu sistemdeki çift beslemeli motorun dönüştürücü kontrol sistemi iki parçadan oluşur: rotor tarafı dönüştürücü ve şebeke tarafı dönüştürücü Şebeke tarafındaki dönüştürücü optimum rüzgar izleme kontrolü için kullanılabilir ve rotor tarafı dönüştürücü PQ çözümü için kullanılır. Kaplin kontrolü ve şebekeye bağlı kapatma kontrolü. Bu makale sadece örnek olarak rotor tarafında PQ ayrıştırma kontrol algoritmasının hızlı prototiplemesini alır.
5.1 Rotor tarafı dönüştürücü kontrol prensibi
Dönen koordinat sisteminin d eksenini stator akı bağlantısının yönü olarak ayarlayın, böylece çift beslemeli makinenin değişkenleri arasında basitleştirilmiş bir ilişki elde edilebilir:
Denklem (1) analizine göre, aktif güç P1 stator akımı q ekseni bileşeni iqs ile orantılıdır ve reaktif güç Q1 stator akımı d ekseni bileşen kimlikleri ile orantılıdır Ayrıştırma kontrolü sırasıyla iqs ve id'ler ayarlanarak elde edilebilir.
Rotor tarafı akım ve gerilim denklemleri aşağıdaki gibidir:
Rotor tarafındaki konvertörün vektör kontrolü, iki kapalı döngü güç ve akım kontrolünü içeren Şekil 7'de gösterilmektedir. Güç dış döngüsünde, aktif güç komutu P *, rüzgar türbininin gerçek hız wr'ye göre güç izleme kontrol modülü tarafından verilir ve reaktif güç komutu Q *, ilgili reaktif güç kontrol yöntemine göre türetilir.
5.2 Simulink kontrol modeli bölümü
Simulink çevrimdışı simülasyonu temelinde, rotor tarafındaki dönüştürücü kontrol parçası modeli bölünmüştür ve bölüm, A, B ve C üç fazlı voltajları ayırması gereken üç fazlı voltaj gibi gerçek zamanlı simülatörün giriş ve çıkış arayüzlerine karşılık gelmelidir. Giriş arabirimi, PWM sinyal çıkışı, gerçek kontrol cihazı açılma seviyesi ile tutarlı olmalıdır ve ölü bölge ayarları gereklidir. Çevrimdışı simülasyon modelinde hız bir parametredir, ancak gerçek testte hızın hız sensörü testi yoluyla elde edilmesi gerekir.Bu, modeldeki hız sinyalini elde etmek için kodlayıcı darbe sinyalinin işlevinin daha fazla simüle edilmesini gerektirir. Bölünmüş simülasyon modeli Şekil 8'de gösterilmektedir. Göstermek.
5.3 Gerçek zamanlı denetleyici kodu üretimi
Simulink'teki kod oluşturucu, hedef ana bilgisayarın kodunu veya dinamik kitaplığını oluşturmak için ayrılmış modeli derleyebilir. Kod oluşturma adımında, gerçek donanım koşullarıyla birleştirilmesi gerekir.Çevrimdışı simülasyonda, gerçek zamanlı olmayan kontrolde, simülasyon adımı teorik olarak sonsuz küçük olarak ayarlanabilir ve farklı bilgisayar platformlarının yürütme süresi tamamen tutarlı değildir ve gerçek kontrol sürecinde Adım uzunluğunun hesaplanmasında, gerçek yürütme süresinin dikkate alınması gerekir Adım süresi 1 × 10-4s olarak ayarlanırsa, gerçek donanım platformunun gerçek 1 × 10-4s içinde bir entegrasyon döngüsünün hesaplamasını ve işlemesini tamamlaması gerekir. İşleme kapasitesi, gerçek analog miktarın örnekleme hızı, kontrol nesnesinin gerçek yürütme döngüsü ve birden çok işlemci arasındaki iletişim gecikmesi, gerçek kontrol sürecindeki kontrol edilebilir döngünün darboğazı olacaktır. Simulink, Şekil 9'da gösterildiği gibi güçlü bir çapraz derlenmiş kod oluşturma entegrasyon aracı sağlar.
5.4 Program yükleme ve bağlantı noktası bağlama
Dinamik bağlantı kitaplığı (DLL) dosyasını veya orijinal modele karşılık gelen yazılabilir dosyayı kod oluşturma aracı aracılığıyla edinebilirsiniz.YXSPACE kullanıyorsanız, Simulink ortamında TI'nin donanım bağlantısını ve programlamasını tamamlayabilirsiniz.NI genel amaçlı denetleyicileri kullanıyorsanız NI denetleyiciye bağlanmak için geniş RT-SIM veya NI VERISTAND'ı kullanabilir ve DLL'yi içe aktardıktan sonra programın programlamasını tamamlayabilirsiniz. DLL programının giriş ve çıkış parametreleri, gerçek donanıma bire bir karşılık gelmelidir.
5.5 İnsan Makine Arayüzü
Bağlantı noktası bağlandıktan sonra, gerekli insan-makine kontrol arayüzünü oluşturun.RT-SIM altında ayar çerçevesi, düğme, statik çerçeve, gösterge ışığı ve osiloskop olmak üzere 5 tip temel kontrol vardır.Kontrol edilecek veya görüntülenecek parametreler gerektiği gibi ayarlanabilir. Bağlama ayarları. İnsan-makine arayüzü temel olarak ilk parametre ayarını, PWM sürücü etkinleştirme kontrolünü ve dalga formu çıkış ekranını tamamlar.
5.6 Gerçek zamanlı ölçüm ve kontrol
İlgili kontrol parametrelerini ayarlayın ve ayarladıktan sonra çevrimiçi deney yapabilirsiniz. Rotor başlangıç konumu parametrelerini, aktif güç referans komut değerini ve reaktif güç referans komut değerini ayarlayın ve bir osiloskop üzerinden stator voltajını ve şebeke voltajını görüntüleyin Stator voltajı oluşturulduktan ve şebeke tekrar kapatıldıktan sonra, yüksüz şebeke bağlantı işlemini gerçekleştirmek için kapatılabilir. Şebekeye bağlı güç, aktif güç ayar değeri ayarlanarak ayarlanabilir. Rüzgar hızı çıkışını ayarlamak için üst bilgisayar aracılığıyla, alt senkronizasyondan süper senkronizasyona kadar olan süreç gibi jeneratörün çeşitli çalışma koşullarını esnek bir şekilde gözlemleyebilirsiniz.Kontrol etkisi Şekil 10'da gösterilmiştir.
6. Sonuç
Model tabanlı tasarım ve geliştirme, gömülü kontrol sistemi teorisinin gerçekleştirilmesine dönüştürme verimliliğini büyük ölçüde artırabilir ve gömülü sistem tasarımı ve testinin verimliliğini büyük ölçüde artırabilir.MATLAB, MBD ve ilgili kod oluşturma araçları için entegre bir geliştirme ortamı sağlar. Bu makale, döngü içinde çift beslemeli bir rüzgar türbini şebekesine bağlı yarı fiziksel simülasyon deneysel sistemi tasarlamak için model tabanlı tasarım ve geliştirme kavramını kullanır.Deneysel sistem, rüzgar hızı modelini ve rüzgar türbini modelini ayarlamak için PC kullanır. Hesaplamadan sonra, simüle edilmiş rüzgar türbini sisteminin hedef torku elde edilir. Döngüdeki fan sistemini (HIL) simüle etmek için asenkron motorun tork çıkışını kontrol etmek için vektör invertör uzak seri portu ile iletişim kurar ve ikinci seviye simülasyon adımı, fan çıkışının tork eğrisine gerçekten yaklaşabilir; Çift beslemeli motorun dönüştürücü sistemi PEBB'yi benimser Konsept, arka arkaya ikili PWM kontrolü, NI genel amaçlı kontrolör, algoritmayı yürütür ve PWM sürücü çıkışını gerçekleştirir ve platform koruma, mantık ve ölçüm gibi bazı yardımcı işlemleri gerçekleştirirken TI-F28335 CPU'dan oluşan gerçek kontrolör. Asıl araştırma ihtiyaçlarına göre, Genel kontrolörün ve gerçek kontrolörün kontrol fonksiyonları makul bir şekilde tahsis edilebilir ve yardımcı kontrolör, genel kontrolörün algoritma doğrulamasını gerçekleştirmesine yardımcı olabilir. Sistem, çift beslemeli rüzgar türbinlerinin şebekeye bağlı sisteminin algoritma araştırmasının verimliliğini ve çeşitli çalışma koşullarında yapılan testleri iyileştirebilir.
Referanslar
Liu Jin. Çift beslemeli rüzgar enerjisi üretim sisteminin kontrol stratejisi üzerine araştırma Pekin: Kuzey Çin Elektrik Enerjisi Üniversitesi, 2014.
Liu Qihui, Mao Wei, Gao Yu. Reaktif güç düzenleme yeteneğini geliştirmek için çift beslemeli rüzgar türbininin hız değişim modu kontrol stratejisi.Elektrik Güç Otomasyon Ekipmanları, 2018 (9): 85-92.
Zhang Jianzhong, Xiong Lianggen, Hang Jun, et al.DFIG rüzgar türbinlerinin düşük voltajda çalışmaya devam etmesi için seri kuplaj kompanzasyonu üzerine araştırma.Güç Sistemi Teknolojisi, 2014, 38 (1): 67-73.
Hou Shiying, Xiao Xu, Zhang Chuang, vb. Doğrudan Tahrikli Rüzgar Türbini Şebeke Bağlantısının Dinamik Performansı Üzerine Araştırma Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2010 (6): 80-83.
Wu Xi, Guan Yajing, Ning Wei, vd.Çift beslemeli rüzgar türbini rotor tarafı dönüştürücü parametrelerinin alt senkron salınımlarda etkileşim mekanizması ve uygulaması üzerine araştırma.Güç Sistemi Teknolojisi, 2018, 42 (8): 2536-2544.
Liu Jie. Model tabanlı tasarım ve gömülü uygulaması Pekin: Beihang University Press, 2010.
STEURER M, BOGDAN F, REN W, et al. Yenilenebilir enerji entegrasyonunu hızlandırmak için kontrolör ve güç donanımı döngü içi yöntemler.2007 IEEE Güç Mühendisliği Topluluğu Genel Toplantısı, VOLS 1-10, 2007: 3385-3388.
LI G, JIANG S, XIN Y, ve diğerleri MMC-HVDC güç donanımı döngü içinde simülasyon sistemi için geliştirilmiş bir DIM arayüz algoritması. International Journal of Electrical Power and Energy Systems, 2018, 99: 69-78.
TOH C L, WONG Y M, NOUM L E.Güç elektroniği yapı taşı (PEBB) donanım tasarımı ve güvenilirlik tahmini. IEEE Uluslararası Güç ve Enerji Konferansı, 2017: 166-171.
Han Jingang, Ma Zhiyuan, Zhao Ming, vb. Üç Fazlı İnvertörün Model Öngörülü Kontrolü üzerine Araştırma.Elektrik Mühendisliği ve Enerjinin Yeni Teknolojisi, 2014, 33 (7): 33-37, 54.
Wang Xinxing, Liu Xu, Liu Hao. StarSim ve ortalama yönteme dayalı çift beslemeli indüksiyon jeneratörünün döngü içinde donanım simülasyonu Güç Şebekesi ve Temiz Enerji, 2014, 30 (4): 53-59.
Zhang Qingwu, Chen Le, Lu Jiang ve diğerleri.DC iletim kontrol stratejilerinin komütasyon arızası üzerindeki etkisi üzerine karşılaştırmalı çalışma.Elektrik Mühendisliği ve Enerjinin Yeni Teknolojisi, 2015 (7): 53-57.
Wu Jiao, Hao Yukai, Xu Ning, vb MATLAB / Simulink kullanarak bir Arduino modelleme geliştirme yöntemi.Elektronik Teknoloji Uygulaması, 2017, 43 (6): 60-63.
Ouyang Hui, Li Peiqiang, Li Xinran ve diğerleri.Çift beslemeli rüzgar türbinleri için iki düşük voltajlı çalışma şemasının karşılaştırmalı analizi. Yeni Elektrik Mühendisliği ve Enerji Teknolojisi, 2014 (8): 43-48.
Li Li. Rüzgar enerjisi üretim sisteminin gerçek zamanlı döngü içi simülasyon deneysel platformu üzerine araştırma. Chongqing: Chongqing Üniversitesi, 2016.
Chen Jie. Değişken hızlı sabit pervaneli rüzgar enerjisi üretim sisteminin kontrol teknolojisi üzerine araştırma Nanjing: Nanjing Havacılık ve Uzay Üniversitesi, 2011.
Wu Yinxiao. Rüzgar hızı tahminine dayalı rüzgar enerjisi üretim kontrol sistemi üzerine araştırma Harbin: Harbin Teknoloji Enstitüsü, 2010.
yazar bilgileri:
Zhang Qingjie 1, 2, Lu Guangxiang 1, Xu You 3, Zuo Nan 4, Zhang Chengyu 2
(1. Elektrik Mühendisliği Okulu, Güneydoğu Üniversitesi, Nanjing 210031, Jiangsu; 2. Mühendislik Fakültesi, Nanjing Ziraat Üniversitesi, Nanjing 210000, Jiangsu;
3. Otomasyon Okulu, Nanjing Teknoloji Enstitüsü, Nanjing 210000, Jiangsu; 4. Nanjing Yanxu Electric Technology Co., Ltd., Nanjing 210000, Jiangsu)
