Accexp雙饋風機變流控制器實時仿真測試
2017-04-12
隨著人們對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重視，風能作為一種清潔的能源日益受到關注。雙饋風電機組是一種主流的風機，其特點是電力電子器件只通過部分功率，利于降低成本。雙饋風機通過一對背靠背的變流橋來控制電機轉子電壓的頻率和幅度，從而實現(xiàn)變速恒頻，有功無功解耦控制等。
對于雙饋風機這樣的大功率電力電子系統(tǒng)，直接在物理設備上做實驗，如故障實驗，有著很多不便之處。使用實時仿真器來開發(fā)和測試電力電子控制器就不會有這些局限。為此最終客戶希望搭建一套雙饋風機變流控制器實時仿真測試系統(tǒng)。
【技術挑戰(zhàn)】
雙饋風機是一個典型的電力電子系統(tǒng)。同傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的實時仿真不同，電力電子系統(tǒng)含有快速開關的元件。如果用普通的仿真方法，實時仿真器需要有非常?。ㄎ⒚肓考墸┑姆抡娌介L才能準確的仿真這樣的系統(tǒng)。而普通的基于CPU的實時仿真系統(tǒng)由于硬件架構等限制，無法直接實現(xiàn)這樣的小步長實時仿真。
同時由于雙饋風機空載時的模型和并網(wǎng)的模型不同，常用的離線仿真軟件一般都無法完整的仿真雙饋風機從空載勵磁到并網(wǎng)發(fā)電的過程。
整個系統(tǒng)的方案設計如上，系統(tǒng)硬件由2部分組合，第一部分是CompactRIO（NI公司提供的一種工業(yè)計算機），作為風機變流器的控制器，通過運行雙饋風機的空載與并網(wǎng)控制算法來發(fā)送PWM信號對變流器里的IGBT進行控制。第二部分是PXI與FPGA板卡，作為雙饋風機系統(tǒng)的實時仿真器。 兩個硬件平臺通過IO板卡接口，并且這個接口和控制器控制真實的雙饋風機設備完全一致，即控制器從仿真器采集電網(wǎng)電壓、電流、編碼器信號等；然后經(jīng)過控制算法的運算后，向仿真器發(fā)出控制IGBT開通和關斷的PWM信號。
上圖為實時仿真系統(tǒng)運行的上位界面，此時系統(tǒng)還處于發(fā)電機空載運行的狀態(tài)，即通過轉子側逆變器控制轉子勵磁電流從而使得雙饋電機達到并網(wǎng)條件（定子電壓幅度、相位、頻率與電網(wǎng)電壓一致）。圖中可以看到發(fā)電機定子的電壓（藍色），在轉子變流器的控制下逐漸與電網(wǎng)電壓（紅色）同頻同相同幅的過程。
上圖為艾克賽普為最終客戶（北方某大學）搭建的雙饋風機實時仿真系統(tǒng)的實驗室照片，圖中可以看到實時仿真器(PXI)與變流器控制器(CompactRIO)。
【基于FPGA和平均值的實時仿真】
解決電力電子系統(tǒng)實時仿真的辦法之一就是基于FPGA的平均值法[參考文獻1]，該方法的要點利用FPGA來測量PWM脈沖的脈寬，用等效電路來代替原來的電力電子變流橋。遠寬能源的電磁暫態(tài)實時仿真軟件StarSim直接提供了用于實時仿真用途的Real-Time Converter Bridge，用戶可以直接用StarSim搭建出可以直接實時運行的電力電子系統(tǒng)模型。StarSim中的雙饋電機模型考慮了空載情況，并且可以實現(xiàn)空載和并網(wǎng)工況的平滑切換，基于StarSim可以仿真從雙饋風機從空載勵磁到并網(wǎng)發(fā)電的完整過程。
整個系統(tǒng)的方案設計如上，系統(tǒng)硬件由2部分組合，第一部分是CompactRIO（NI公司提供的一種工業(yè)計算機），作為風機變流器的控制器，通過運行雙饋風機的空載與并網(wǎng)控制算法來發(fā)送PWM信號對變流器里的IGBT進行控制。第二部分是PXI與FPGA板卡，作為雙饋風機系統(tǒng)的實時仿真器。 兩個硬件平臺通過IO板卡接口，并且這個接口和控制器控制真實的雙饋風機設備完全一致，即控制器從仿真器采集電網(wǎng)電壓、電流、編碼器信號等；然后經(jīng)過控制算法的運算后，向仿真器發(fā)出控制IGBT開通和關斷的PWM信號。
上圖為實時仿真系統(tǒng)運行的上位界面，此時系統(tǒng)還處于發(fā)電機空載運行的狀態(tài)，即通過轉子側逆變器控制轉子勵磁電流從而使得雙饋電機達到并網(wǎng)條件（定子電壓幅度、相位、頻率與電網(wǎng)電壓一致）。圖中可以看到發(fā)電機定子的電壓（藍色），在轉子變流器的控制下逐漸與電網(wǎng)電壓（紅色）同頻同相同幅的過程。
上圖為艾克賽普為最終客戶（北方某大學）搭建的雙饋風機實時仿真系統(tǒng)的實驗室照片，圖中可以看到實時仿真器(PXI)與變流器控制器(CompactRIO)。
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