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Accexp基于PXI和StarSim的含雙饋發(fā)電機(jī)組的功率硬件在環(huán)仿真測試
2017-04-12
一、需求
希望能有一個(gè)平臺(tái)來研究雙饋風(fēng)電機(jī)組和電網(wǎng)間的互相影響，尤其是有功功率的協(xié)調(diào)控制。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室不便于更改電網(wǎng)的拓?fù)洌瑫r(shí)做短路等故障試驗(yàn)也比較危險(xiǎn)。但是仿真又存在建模假設(shè)比較理想的問題，比如仿真軟件中一般假設(shè)電機(jī)的磁場是純正弦分布，電力電子器件建模也比較理想。
為此希望搭建一套功率硬件在環(huán)的仿真試驗(yàn)平臺(tái)，用以測試雙饋發(fā)電機(jī)組有功頻率控制器的相關(guān)控制性能。功率硬件在環(huán)試驗(yàn)平臺(tái)中有實(shí)際的物理裝置也有電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真器，它能結(jié)合真實(shí)物理裝置和實(shí)時(shí)仿真各自的優(yōu)點(diǎn)。
二、技術(shù)挑戰(zhàn)
搭建功率硬件在環(huán)系統(tǒng)需要三個(gè)裝置：實(shí)時(shí)仿真器、實(shí)際物理裝置以及連接二者的電壓放大和電流反饋接口。首先，實(shí)時(shí)仿真器要求能夠模擬仿真一個(gè)小型的電力系統(tǒng)，能夠模擬仿真電力系統(tǒng)不同的運(yùn)行情形，用以測試雙饋風(fēng)電機(jī)組在電力系統(tǒng)不同情形下的運(yùn)行狀況。第二，實(shí)時(shí)仿真器和物理系統(tǒng)之間有因?yàn)閿?shù)值仿真、接口電壓放大以及電流反饋等引入的延時(shí)，延時(shí)的大小會(huì)直接影響整個(gè)測試平臺(tái)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，因此實(shí)時(shí)仿真器的步長應(yīng)盡可能小，并且也需要盡可能減小接口處的硬件I/O產(chǎn)生的延時(shí)。
三、軟硬件平臺(tái)
針對應(yīng)用需求，選擇了National Instruments公司的PXI平臺(tái)作為實(shí)時(shí)仿真器的硬件平臺(tái)，PXI是一個(gè)工業(yè)計(jì)算機(jī)，它主要是由機(jī)箱、控制器（CPU模塊）和各種IO與通信模塊組成。控制器是一個(gè)高性能的嵌入式計(jì)算機(jī)，應(yīng)用了最新的PC技術(shù)，集成最新的主流CPU、內(nèi)存、硬盤等，可安裝Microsoft操作系統(tǒng)（如Windows2000/XP）或?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)（如LabVIEW Real-Time）。
PXI運(yùn)行實(shí)施操作系統(tǒng)時(shí)，PXI就可以用來作為實(shí)時(shí)仿真器，以其模塊化，性價(jià)比高，IO模塊豐富，軟件系統(tǒng)開放等特點(diǎn)，目前PXI已成為全世界眾多用戶進(jìn)行硬件在環(huán)仿真的選擇。因此我們也選擇PXI作為實(shí)時(shí)仿真器，并配置相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集板卡，用以輸出需要放大的電壓并采集需要反饋的電流。
實(shí)時(shí)仿真軟件采用基于LabVIEW的電磁暫態(tài)仿真軟件StarSim，它的一個(gè)很大的特點(diǎn)就是同LabVIEW的無縫結(jié)合，用StarSim搭建的電力系統(tǒng)模型可以直接在NI的PXI上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。
四、項(xiàng)目描述
該項(xiàng)目是與清華大學(xué)電機(jī)系智能電網(wǎng)運(yùn)行與優(yōu)化實(shí)驗(yàn)室合作完成。目前風(fēng)電廠商較難設(shè)計(jì)出合適的控制器來滿足電力系統(tǒng)的實(shí)際需求；同樣電網(wǎng)公司也缺乏相應(yīng)的手段來測試含有功頻率控制的風(fēng)電機(jī)組和電力系統(tǒng)間的有功協(xié)調(diào)能力。為此設(shè)計(jì)基于實(shí)時(shí)仿真的功率硬件在環(huán)仿真測試平臺(tái)。通過電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真器模擬大電網(wǎng)，雙饋風(fēng)電機(jī)組則用一套小功率的實(shí)際機(jī)組來模擬。平臺(tái)具體如下圖：
通過這樣一套裝置，模擬電力系統(tǒng)和雙饋發(fā)電機(jī)組間的相互耦合和影響，并以此平臺(tái)進(jìn)行雙饋發(fā)電機(jī)組的有功調(diào)頻控制策略的仿真與測試。實(shí)際實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片如下：
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：
1. 風(fēng)電機(jī)組有功輸出變化對微網(wǎng)系統(tǒng)頻率變化影響
通過改變風(fēng)電機(jī)組輸出有功的大小來觀察微網(wǎng)中系統(tǒng)頻率的變化，對電網(wǎng)頻率（pu）、母線電壓(V)和反饋電流(A)進(jìn)行錄波，波形如下圖所示：
實(shí)際系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)中的電壓和電流的有一個(gè)放大的關(guān)系，實(shí)際系統(tǒng)的380V對應(yīng)仿真系統(tǒng)中的230kV，電流則是放大了50倍，這樣實(shí)際系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)功率到仿真系統(tǒng)中就放大了(230/0.38)*50=30263倍實(shí)際3kW風(fēng)機(jī)等值為一個(gè)約90MVA的風(fēng)機(jī)。實(shí)時(shí)仿真的微網(wǎng)系統(tǒng)還有四個(gè)容量為900MVA的同步發(fā)電機(jī)。電流波形圖中，兩個(gè)尖峰時(shí)候表示并網(wǎng)和脫網(wǎng)，分別在不同的時(shí)刻給定輸出功率1000W，2000W，2500W和3000W，然后逐漸降低功率，直至脫網(wǎng)。可以看到電網(wǎng)頻率也隨之變化。3000W時(shí)，最大頻率上升到了1.005*50=50.25Hz。
實(shí)際系統(tǒng)和實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)中的電壓和電流的有一個(gè)放大的關(guān)系，實(shí)際系統(tǒng)的380V對應(yīng)仿真系統(tǒng)中的230kV，電流則是放大了50倍，這樣實(shí)際系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)功率到仿真系統(tǒng)中就放大了(230/0.38)*50=30263倍實(shí)際3kW風(fēng)機(jī)等值為一個(gè)約90MVA的風(fēng)機(jī)。實(shí)時(shí)仿真的微網(wǎng)系統(tǒng)還有四個(gè)容量為900MVA的同步發(fā)電機(jī)。電流波形圖中，兩個(gè)尖峰時(shí)候表示并網(wǎng)和脫網(wǎng)，分別在不同的時(shí)刻給定輸出功率1000W，2000W，2500W和3000W，然后逐漸降低功率，直至脫網(wǎng)。可以看到電網(wǎng)頻率也隨之變化。3000W時(shí)，最大頻率上升到了1.005*50=50.25Hz。
2. 微網(wǎng)不對稱故障時(shí)對風(fēng)電機(jī)組的影響
通過在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中設(shè)置不對稱故障從而在風(fēng)電機(jī)組接入點(diǎn)處產(chǎn)生不對稱電壓，來觀察風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行情況。下圖分別是實(shí)際風(fēng)電機(jī)組電壓接入點(diǎn)處的三相電壓和電流的波形圖：可以明顯看到有一相電壓幅值明顯低于其他兩相電壓。采樣的反饋電流也是三相不對稱，試驗(yàn)表明雙饋發(fā)電機(jī)組在三相不對稱電壓下仍然能正常工作。
五、總結(jié)
在該項(xiàng)目中，實(shí)時(shí)仿真器采用NI公司的PXI硬件和上海遠(yuǎn)寬能源科技有限公司的StarSim電磁暫態(tài)仿真軟件加以實(shí)現(xiàn)。通過有功實(shí)驗(yàn)和電壓不對稱實(shí)驗(yàn)測試雙饋發(fā)電機(jī)組接入功率硬件在環(huán)平臺(tái)的可行性。為后續(xù)更多設(shè)備的測試和實(shí)驗(yàn)提供了平臺(tái)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
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