[发明专利]一种励磁同步电机的建模方法和硬件在环测试系统

说明书

本发明公开了一种励磁同步电机的建模方法和硬件在环测试系统，对励磁同步电机进行外围电路和同步电机模型建模，其中同步电机模型包括定子模型、转子模型、电磁转矩计算模型和转子运动模型，定子模型利用Simulink中Simscape库模块搭建得到，转子模型采用纯属数值化建模，实现Matlab平台下的励磁同步电机准确建模；硬件在环测试系统包括上位机、实时仿真机和SFC控制器，上位机用于搭建励磁同步电机模型，生成对应实时仿真代码下载到实时仿真机中，实时仿真机运行上述实时仿真代码，与SFC控制器进行信号交互完成测试。本发明实现了Matlab平台下的励磁同步电机准确建模，并基于实时仿真机实现励磁同步电机的硬件在环测试。

技术领域

本发明属于电力系统智能控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种励磁同步电机的建模方法和硬件在环测试系统。

背景技术

随着社会经济的快速发展,我国能源消耗不断增大,环境污染不断加剧，转变能源结构、促进电力系统节能减排已成为全社会共同关注的焦点。抽水蓄能电站作为电源，具有优异的调峰填谷、调频、调相功能。在与大规模的储能装置对比时，其建造成本较低，使用寿命长，能量转换效率稳定。抽水蓄能是目前电力系统中最为常用、成熟的大规模储能方式。而抽水蓄能电站机组在运行过程中需要被频繁地起动，如何快速且平稳地起动机组也一直是抽水蓄能电站要解决的核心问题。目前，我国的抽水蓄能电站发展尚且不能满足社会需求，所以加快抽水蓄能电站以及其核心设备技术的设计与开发是十分有必要的。

硬件在环测试(HIL)是半实物仿真的一种，它以“真实控制器+虚拟被控对象”的方式对于控制器功能进行测试，被广泛地应用于航空、航天、汽车等领域。良好设计的硬件在环测试系统可以缩短测试时间，降低开发成本，提高系统可靠性。而对于上述抽水蓄能电站机组非常适用于HIL场景，主要是因为抽水蓄能电站一般都是大功率、大惯性的励磁同步电机，很难直接把设计好的控制器直接连接实物进行控制，所以采用HIL的方法可以很好地测试SFC控制器的性能。

对于抽水蓄能电站机组的硬件在环测试，科研单位一般会使用RTDS这种大型实时仿真机来完成，而不会使用基于Matlab平台的轻量级实时仿真机如Dspace、Speedgoat等。一方面主要是Simulink库中励磁同步电机没有静止态，不符合HIL系统要求，而励磁同步电机是个强耦合、非线性、多变量的复杂系统，想要准确搭建对应模型是比较困难的；另一方面Simulink对于电气仿真计算是基于状态空间方程，随着对应模型复杂度升高，实时仿真机很容易出现算力不足的情况。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种励磁同步电机的建模方法和硬件在环测试系统，实现Matlab平台下的励磁同步电机准确建模，并基于实时仿真机实现励磁同步电机的硬件在环测试。

为实现上述发明目的，本发明励磁同步电机的建模方法包括外围电路建模和同步电机模型建模，所述同步电机模型为5阶同步电机模型，包括定子模型、转子模型、电磁转矩计算模型和转子运动模型，其中：

定子模型采用如下abc坐标系下定子电压方程为基础进行建模，采用电动机惯例作为建模正方向,利用Simulink中Simscape库模块搭建得到：

其中，u_a、u_b、u_c为定子abc相电压，ψ_a、ψ_b、ψ_c为定子abc相磁链，r_a、r_b、r_c为定子abc相电阻，i_a、i_b、i_c为定子abc相电流，p为微分算子；

转子模型采用如下fDQ绕组电压方程为基础对转子部分进行纯数值化建模得到：