2024年4月28日发(作者：湖人步行者直播)

仿真技术

文章编号

:1008-0570(2010)04-

1

-0178-03

《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第4-

1

期

Scilab/Scicos

在风力发电系统仿真中的应用

TheApplicationofScilab/ScicosinWindPowerSystemSimulation

(1.

北京交通大学

;2.

清华大学

)

王云

1

葛宝明

1

毕大强

2

WANGYunGEBao-mingBIDa-qiang

摘要

:Scilab/Scicos

是一个功能类似于

Matlab/Simulink

的自由开源软件

。

由于它的开放性

,

用户可以方便地直接面对

Scilab

的

源代码进行优化和扩展

。

因此

,

本文以风力发电系统的仿真为目的对其工具箱进行了扩展

,

搭建了双馈感应风力发电系统模

型

,

并对机组不同工况进行了仿真

,

获得了合理结果

,

验证了

Scilab/Scicos

软件在风力发电系统仿真应用中的适用性

,

使

Scilab/Scicos

软件的应用范围得到进一步的扩展

,

同时也为也为风力发电系统仿真提供了一条新的有效途径

。

关键词

:Scilab/Scicos;

工具箱

;

风力发电

;

双馈感应电机

;

仿真

中图分类号

:TP311.56

文献标识码

:A

技

术

创

新

Abstract:Scilab/Scicosisafreeopen-sourcesoftware,whichissimilartoMatlab/eofScilab/Scicos

’

sopenness,theusercaneasilyoptimizeandexpanditssourcecodedirectly,thenweexpanditstoolboxforthepurposeofwind

ametime,webuildtheDFIG(Doubly-fedInductionGenerator)windpowersystemmodelandlet

itrunindifferentworkingconditions,atlast,weobtainareasonablesimulationresultswhichnotonlyverifytheapplicabilityof

Scilab/Scicossoftwareinthewindpowersystemsimulationapplicationsandmakeitsapplicationdomainsfurtherextended,butalso

providesanewandeffectivewaysforthewindpowersystemsimulation.

Keywords:Scilab/Scicos;toolbox;wind-power;DFIG;simulation

1

引言

风力发电作为清洁可再生能源正在快速发展

,

相关问题的

但由于自然环境和现场条件的限制

,

风力发研究也在不断深入。

电的实验研究存在一定难度。建模仿真是研究风力发电系统的

有效手段

,

因此选择何种工具与建模方法进行仿真研究显得至

关重要。

目前国内外在使用的电力系统仿真软件

,

主要有德国西门

子公司开发的

NETOMAC,

美国电力公司开发的

PSS/E,PSCAD/

EMTDC,

以及

Mathworks

公司开发的

MATLAB

中所包含的

Sim－

PowerSystems

工具箱等。其中

,MATLAB

是目前比较通用和完备

的电力系统仿真软件

,

但具有以下缺点

:

对于电力元件和复杂系统建模

,

必须

⑴

采用因果建模语言。

先将元件或系统的所有微分方程以及代数方程形式的数学描

述转化为具有输入输出形式的状态方程

,

再根据输入输出关系

建立模型

,

这对于复杂高维系统不易实现。

⑵

不支持混杂系统建模和仿真。电力系统为一混杂动态系

统

,

其动态行为呈现为即有连续动态又有非连续动态

,

需要仿真

软件支持混杂系统建模和仿真。

⑶

元件模型的源代码对用户不公开。使用者仅能输入或修

改模型参数

,

但不能查看和修改元件模型代码

,

使得平台的后期

开发、维护以及元件模型的重用性较差。

本文介绍了一种使用非因果建模语言进行建模且适用于

混杂电力系统仿真的

Scilab/Scicos

软件

,

并将它扩展应用于风

力发电系统仿真。该软件不仅克服了上述仿真软件建模机理存

在的缺点

,

而且用户可以直接面对其源代码进行优化和扩展。

王云

:

硕士

-

178

-

360

元

/

年邮局订阅号

：

82-946

2Scilab/Scicos

软件介绍

Scilab(Sciencelaboratory)

是由法国国立信息和自动化研究

与

Matlab

类似

,Scilab

也院负责研制开发的科学计算自由软件。

是一种科学工程计算软件

,

同时它还提供可以满足不同工程与

科学需要的工具箱

,

例如

Scicos,

信号处理工具箱

,

图与网络工具

箱等。就基本的功能如科学计算、矩阵处理及图形显示而言

,

Matlab

能完成的工作

Scilab

都可以完成。

Scilab

集成了多种工具箱

,

其中最著名的就是

Scicos(Scilab

ConnectedObjectSimulator),

用于建模和仿真动态系统

,

包括连

续和离散子系统。

Scicos

的一个新加功能就是在

Scicos

框图内

可以使用隐式模块

,

隐式模块具有如下特点

:

⑴

其隐式端口不需要明确区分是输入端口还是输出端口。

用户只需要根据情况添加类似端口电流须满足基尔霍夫电流

定律这样的约束条件

,

这就很自然地允许用户利用模块对系统

的物理组成部分进行建模

,

即用方程来描述物理对象中变量间

的相互联系

,

大大简化了对于大型复杂物理系统的建模过程。

⑵

隐式模块和通用模块可在

Scilab/Scicos

软件平台上混合

使用

,

从而为该软件提供了更加强大的建模环境。

3

基于

Scilab/Scicos

的基本模块的建立

每一个

Scicos

基本模块都由计算函数

(computationalfunc－

计算函数通常

tion)

和接口函数

(interfactingfunction)

两部分定义。

用

C

语言编写

,

但是为了引入隐式模块

,

本文采用面向对象的

Modelica

语言进行编写。该函数定义了模块在仿真过程中的行

为

,

以后缀为

.mo

的文件形式保存。下面是双馈感应电机模块的

计算函数示例

:

modelDFIG//

函数声明

《现场总线技术应用200例》

您的论文得到两院院士关注

仿真技术

//

定义管脚

//

定义双馈电机模型的输入变

endfunction

注意

:

接口函数名和保存后的文件名也要与计算函数名一致。

Pinb1,b2,b3,n1,n2,n3;

…

RealIsa,Isb,Isc,Isd,Isq;

量和参数

parameterRealPn=3000;

…

Equation

Usa=b1.v;

b1.i=Isa;

…

omigr=der(thr);

…

//

定义连接模块所需的约束条件

//

物理方程

电流坐标变换方程

//

电压、

//

定转子动态方程

//

电磁转矩方程

//

机械运动方程

EndDFIG;

注意

:

计算函数中方程数须与变量数相等

,

且保存的文件名

要与声明的计算函数名一致。

接口函数必须用

Scilab

语言编写

,

用于处理与编辑器的交

互。它指定了该模块的拓扑结构、输入输出个数、模块类型等

,

同

时用于处理用户接口

(

更新模块参数和初始化模块状态

),

以后缀

为

.sci

的文件形式保存。仍以双馈感应发电机的接口函数为例

如下

:

function[x,y,typ]=DFIG(job,arg1,arg2)//

函数声明

x=[];y=[];typ=[];

selectjob//

根据

job

的不同执行不同的操作

…

case'set'then

…

While%tdo//

设置参数对话框

[ok,Pn,Vn,fn,Rs,Lls,Rr,Llr,Lm,J,Np,exprs]=getvalue('Set

DFIGMachineparameter',

['Nominalpower,Pn(VA):','Linevoltage,Vn(Vrms):',

…

,

'polepairs,Np():'],

list('vec',1,'vec',1,'vec',1,

…

),exprs)

if~okthenbreak,end

…

end

case'define'then

model=scicos_model()

Pn=3000//

初始化模块的数据结构

…

=['b1';'b2';'b3';'n1';'n2';'n3';'Tm']//

定义输入

输出管脚

s=['Te';'thr';'ths']

_implicit=['I';'I';'I';'I';'I';'I';'E';]//

定义输入

输出管脚的性质

_implicit=['E';'E';'E']//I

表示

implicit,E

表示

explicit

…

end

《PLC技术应用200例》

图

1WindPower

模块库

通常模块的计算函数和接口函数被保存在安装目录下

sci－

cos_blocks

的库文件里

,

这样用户打开

Scilab/Scicos

后

,

通过

Ed－

it/AddNewBlock

菜单并给出相应的接口函数名就可以把模块加

载到

Scicos

框图。以风力发电系统的仿真为目的

,

本文还建立了

异步发电机、永磁同步发电机、变压器、三相电源、故障、坐标变

换等基本模块。因此

,

为了使添加模块更加方便

,

建立

WindPower

模块库

,

如图

2

所示。这样用户如果需要添加哪个模块

,

只须从

模块库中选中点击即可

,

操作方式同

Simulink

相似

(

文中不作建

立模块库的详细介绍

)

。

4

双馈感应风力发电系统的建模与

仿真

本文在模块库

WindPower

的基础上

,

利用直接给定机械转

矩来代替风机

(Tm=-30N

·

m),

搭建了双馈感应风力发电系统的

平均仿真模型

,

如图

3

所示。系统利用功率平衡原理

,

省去了整

流和逆变装置

,

相应地在交流侧将变流器等价为一个三相受控

电压源

,

在直流侧将变流器等价为一个三相受控电流源

,

功率平

衡原理图见图

3

。文献对用平均模型简化开关模型的性能进行

了对比分析

,

证明平均模型不仅不影响仿真效果而且还大大节

省了仿真时间。

技

术

创

新

图

2

双馈风力发电系统的平均仿真模型图

3

功率平衡原理图

由于双馈型风力发电机的转子侧功率流动是双向的

,

所以

在不同的工作状态

,

就有不同的功率传递关系。本文系统中转子

侧和电网侧分别采用定子磁链矢量定向和电网电压综合矢量

控制

,

对双馈发电机的功率传递关系进行了仿真和分析

,

如图

4

所示

,

给出了在

t=1.2s

时刻

,

转速给定由

350rad/s

阶跃为

280

定转子吸收有功和电网输出有功的波形图。

rad/s

时转子转速、

邮局订阅号

：

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元

/

年

-

179

-

仿真技术

《微计算机信息》(测控自动化)2010年第26卷第4-

1

期

技

术

创

新

图

5

电机定转子侧和网侧的有功功率波形图

具体的仿真参数设置如下

:

发电机极对数

N

p

=3,

额定功率

P

N

=4kW,

电网频率

f

n

=50HZ,

额定线电压

U

N

=380V,

转动惯量

J=0.05kg

·

m

2

,

定子电阻

R

s

=0.5

Ω,

转子电阻

R

r

=0.816Ω,

定转子漏感

L

ls

=L

lr

=0.007H,

定子互感

·

L

m

=0.28H,

直流侧电容

C=0.03F,

风力机输入转矩

T

m

=30Nm

。

由图

5

可知在上述控制策略下电机转速能当能迅速跟踪

转速给定

,

并且当电机运行于超同步速

(

大于

312rad/s)

时

P

s

=-

3100W,P

r

=-300W,P

w

=-3400W

即系统功率流向为发电机的定

转子一起向电网输送有功

;

当电机运行在次同步速时

P

s

=-3100

W,P

r

=400W,P

w

=-2700W,

即系统功率流向改为定子向电网输送

有功而转子从电网吸收有功

,

结果与已有文献的理论分析一致。

需要指出的是

,

因为本系统中的转矩给定不变

,

所以由图

5

可知

,

若不计电机定子损耗

,

则转速改变只影响转子有功而不影响定

子有功。

andSystems,2008.

[8]i,ndTurbinePerformanceAnaly－

sisDuringShortCircuitFaults,IEEECanadaElectricalPower

Conference,2007:160-162.

[9]

陈俊良

,

傅华明

.

同步

BUCK

型开关电源效率分析简法

[J].

微计

算机信息

,2007,5-1:255-256.

[10]

李晶

,

刘进军

,

袁敞

,

等

.

基于

Saber

的风力发电系统建模及仿

真分析

[J].

太阳能学报

,2008,29(12):1474-1475.

[11]

李亚林

,

李含善

,

任永峰

,

等

.

变速恒频风力发电系统的仿真研

究

[J].

电力科学与工程

,2007,23(3):1-3.

[12]

邹旭东

.

变速恒频交流励磁双馈风力发电系统及其控制技术

研究

:[

博士学位论文

].

浙江

:

华中科技大学

,2005

作者简介

:

王云

(1983-),

女

,

汉族

,

山西晋城人

,

研究生

,

硕士学位

,

主要研究方向电机与电器

;

葛宝明

(1971-),

男

,

汉族

,

山西忻州

人

,

教授

,

博士学位

,

主要研究方向电力电子与电力传动、电机与

电器。

Biography:WANGYun(1983-),Female,Han,Shanxi,Beijing

JiaotongUniversity,TheApplicationofScilab/ScicosinWind

PowerSystemSimulation,ElectricalEngineering,Motorandelec-

trical.

(100044

北京北京交通大学电气工程学院

)

王云葛宝明

(100084

北京清华大学电机系电力系统国家重点实验室

)

毕大强

(SchoolofElectricalEngineering,BeijingJiaotongUniversity,

Beijing100044,China)WANGYunGEBao-ming

(StateKeyLabofPowerSystems,tricalEngineer-

ing,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)BIDa-qiang

通讯地址

:(100044

北京市海淀区交大东路

18

号学苑公寓

2

号

楼

609

室

)

王云

(

收稿日期

:2009.05.04)(

修稿日期

:2009.08.04)

5

结语

基于

Scilab/Scicos

软件开发了一个可用于风力发电系统并

网控制仿真的工具库

WindPower,

详细介绍了建立基本模块的

步骤与过程

,

并搭建了双馈感应风力发电机组系统模型

,

仿真和

分析验证了所建模块的正确性以及

Scilab/Scicos

软件在风力发

电系统仿真应用中的可行性。仿真表明

,Scilab/Scicos

软件为风

力发电系统仿真提供了一条新的有效途径。

本文作者创新点

:

首次引用隐式模块概念

,

将面向物理对象

的建模方法应用到风力发电机组的建模中

,

探讨了这种方法的

可行性。

参考文献

[1]

靳希

,

安平

,

张承学

.

电力系统电磁暂态仿真软件

[J].

上海电力

学院学报

,2004,20(3):42-46.

[2]

吴天明

,

谢小竹

,

彭彬

.MATLAB

电力系统设计与分析

.

北京

:

国

防工业出版社

,2004.

[3]

徐政

.

免费使用的电磁暂态分析程序

ATP-EMTP

程序介绍

[J].

电网技术

,1999,23(7):64-69.

[4]

黄铎

,

王风

,

李志伟

.

科学计算自由软件

SCILAB

基础教程

.

北

京

:

清华大学出版社

,2006.

[5]

方钰

.Scilab/Scicos

在软硬件联合设计中的应用

:[

硕士学位论

文

].

江苏

:

江苏大学

,2002.

[6]

秦世引

,

张永飞

,

宗令蓓

,

等

.Scilab/Scicos

在建模与仿真中的应

用

.

北京

:

北京邮电大学出版社

,2007.

[7]XiaChen,delingandSimulation

Platform-MworksforElectricalMachineBasedonModelica,Pro－

ceedingsof11thInternationalConferenceonElectricalMachines

-

180

-

360

元

/

年邮局订阅号

：

82-946

(

上接第

185

页

)

[2]

陈俊江张影李文明等

.

机载光电平台的通信控制器的设计

[J].

微计算机信息

,2009,5-2:101-102

[3]

董立羽卜彦龙戴斌

.

电子稳像技术发展评述

[J].

信息技术

与信息化

,2004,(6):17-20

[4]

张永祥

.

基于陀螺仪的船载电子稳像技术研究

[D].

长春

:

中国

科学院长春光机所

,2005

年

[5]

周亚军陶声祥张舒等

.

一种基于

Harris

角点特征的稳像算法

[J].

激光与红外

,2009,39(5):555-557

[6]

郑晓锋陈跃庭徐之海

.

一种补偿平移与旋转运动的快速电子

稳像算法

[J].

光子学报

,2008,37(9):1890-1894

作者简介

:

李保中

(1965-),

男

(

汉

),

山东济宁人

,

工程师

,

主要从事

火控

/

光电技术研究。

Biography:LIBao-zhong(1965-),male,Shandong,engineer,Re-

searcharea:airbornefireControlSystemandopto-electronicE-

quipment.

(471009

洛阳中国人民解放军驻六一三所军事代表室

)

李保中

(471009

洛阳中航工业第六一三研究所

)

陈洪亮边栓成

(RepresentativeOfficeofPLAatthe613thResearchInstitute,

Luoyang471009,China)LIBao-zhong

(The613thResearchInstituteofAVIC,Luoyang,471009,

China)CHENHong-liangBIANShuan-cheng

通讯地址

:(471009

河南省洛阳市凯旋西路

25

号光电系统部

)

边栓成

(

收稿日期

:2010.03.01)(

修稿日期

:2010.03.25)

《现场总线技术应用200例》