Accexp基于PXI和StarSim的含双馈发电机组的功率硬件在环仿真测试
2017-04-12
一、需求
希望能有一个平台来研究双馈风电机组和电网间的互相影响，尤其是有功功率的协调控制。传统的电力系统动模实验室不便于更改电网的拓扑，同时做短路等故障试验也比较危险。但是仿真又存在建模假设比较理想的问题，比如仿真软件中一般假设电机的磁场是纯正弦分布，电力电子器件建模也比较理想。
为此希望搭建一套功率硬件在环的仿真试验平台，用以测试双馈发电机组有功频率控制器的相关控制性能。功率硬件在环试验平台中有实际的物理装置也有电力系统实时仿真器，它能结合真实物理装置和实时仿真各自的优点。
二、技术挑战
搭建功率硬件在环系统需要三个装置：实时仿真器、实际物理装置以及连接二者的电压放大和电流反馈接口。首先，实时仿真器要求能够模拟仿真一个小型的电力系统，能够模拟仿真电力系统不同的运行情形，用以测试双馈风电机组在电力系统不同情形下的运行状况。第二，实时仿真器和物理系统之间有因为数值仿真、接口电压放大以及电流反馈等引入的延时，延时的大小会直接影响整个测试平台的准确性和稳定性，因此实时仿真器的步长应尽可能小，并且也需要尽可能减小接口处的硬件I/O产生的延时。
三、软硬件平台
针对应用需求，选择了National Instruments公司的PXI平台作为实时仿真器的硬件平台，PXI是一个工业计算机，它主要是由机箱、控制器（CPU模块）和各种IO与通信模块组成。控制器是一个高性能的嵌入式计算机，应用了最新的PC技术，集成最新的主流CPU、内存、硬盘等，可安装Microsoft操作系统（如Windows2000/XP）或实时操作系统（如LabVIEW Real-Time）。
PXI运行实施操作系统时，PXI就可以用来作为实时仿真器，以其模块化，性价比高，IO模块丰富，软件系统开放等特点，目前PXI已成为全世界众多用户进行硬件在环仿真的选择。因此我们也选择PXI作为实时仿真器，并配置相应的数据采集板卡，用以输出需要放大的电压并采集需要反馈的电流。
实时仿真软件采用基于LabVIEW的电磁暂态仿真软件StarSim，它的一个很大的特点就是同LabVIEW的无缝结合，用StarSim搭建的电力系统模型可以直接在NI的PXI上实现实时仿真。
四、项目描述
该项目是与清华大学电机系智能电网运行与优化实验室合作完成。目前风电厂商较难设计出合适的控制器来满足电力系统的实际需求；同样电网公司也缺乏相应的手段来测试含有功频率控制的风电机组和电力系统间的有功协调能力。为此设计基于实时仿真的功率硬件在环仿真测试平台。通过电力系统实时仿真器模拟大电网，双馈风电机组则用一套小功率的实际机组来模拟。平台具体如下图：
通过这样一套装置，模拟电力系统和双馈发电机组间的相互耦合和影响，并以此平台进行双馈发电机组的有功调频控制策略的仿真与测试。实际实验平台照片如下：
实验设计：
1. 风电机组有功输出变化对微网系统频率变化影响
通过改变风电机组输出有功的大小来观察微网中系统频率的变化，对电网频率（pu）、母线电压(V)和反馈电流(A)进行录波，波形如下图所示：
实际系统和实时数字仿真系统中的电压和电流的有一个放大的关系，实际系统的380V对应仿真系统中的230kV，电流则是放大了50倍，这样实际系统的风机功率到仿真系统中就放大了(230/0.38)*50=30263倍实际3kW风机等值为一个约90MVA的风机。实时仿真的微网系统还有四个容量为900MVA的同步发电机。电流波形图中，两个尖峰时候表示并网和脱网，分别在不同的时刻给定输出功率1000W，2000W，2500W和3000W，然后逐渐降低功率，直至脱网。可以看到电网频率也随之变化。3000W时，最大频率上升到了1.005*50=50.25Hz。
实际系统和实时数字仿真系统中的电压和电流的有一个放大的关系，实际系统的380V对应仿真系统中的230kV，电流则是放大了50倍，这样实际系统的风机功率到仿真系统中就放大了(230/0.38)*50=30263倍实际3kW风机等值为一个约90MVA的风机。实时仿真的微网系统还有四个容量为900MVA的同步发电机。电流波形图中，两个尖峰时候表示并网和脱网，分别在不同的时刻给定输出功率1000W，2000W，2500W和3000W，然后逐渐降低功率，直至脱网。可以看到电网频率也随之变化。3000W时，最大频率上升到了1.005*50=50.25Hz。
2. 微网不对称故障时对风电机组的影响
通过在实时仿真系统中设置不对称故障从而在风电机组接入点处产生不对称电压，来观察风电机组的运行情况。下图分别是实际风电机组电压接入点处的三相电压和电流的波形图：可以明显看到有一相电压幅值明显低于其他两相电压。采样的反馈电流也是三相不对称，试验表明双馈发电机组在三相不对称电压下仍然能正常工作。
五、总结
在该项目中，实时仿真器采用NI公司的PXI硬件和上海远宽能源科技有限公司的StarSim电磁暂态仿真软件加以实现。通过有功实验和电压不对称实验测试双馈发电机组接入功率硬件在环平台的可行性。为后续更多设备的测试和实验提供了平台设计基础。
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