Accexp双馈风机变流控制器实时仿真测试
2017-04-12
随着人们对环境保护和可持续发展的重视，风能作为一种清洁的能源日益受到关注。双馈风电机组是一种主流的风机，其特点是电力电子器件只通过部分功率，利于降低成本。双馈风机通过一对背靠背的变流桥来控制电机转子电压的频率和幅度，从而实现变速恒频，有功无功解耦控制等。
对于双馈风机这样的大功率电力电子系统，直接在物理设备上做实验，如故障实验，有着很多不便之处。使用实时仿真器来开发和测试电力电子控制器就不会有这些局限。为此最终客户希望搭建一套双馈风机变流控制器实时仿真测试系统。
【技术挑战】
双馈风机是一个典型的电力电子系统。同传统电力系统的实时仿真不同，电力电子系统含有快速开关的元件。如果用普通的仿真方法，实时仿真器需要有非常小（微秒量级）的仿真步长才能准确的仿真这样的系统。而普通的基于CPU的实时仿真系统由于硬件架构等限制，无法直接实现这样的小步长实时仿真。
同时由于双馈风机空载时的模型和并网的模型不同，常用的离线仿真软件一般都无法完整的仿真双馈风机从空载励磁到并网发电的过程。
整个系统的方案设计如上，系统硬件由2部分组合，第一部分是CompactRIO（NI公司提供的一种工业计算机），作为风机变流器的控制器，通过运行双馈风机的空载与并网控制算法来发送PWM信号对变流器里的IGBT进行控制。第二部分是PXI与FPGA板卡，作为双馈风机系统的实时仿真器。 两个硬件平台通过IO板卡接口，并且这个接口和控制器控制真实的双馈风机设备完全一致，即控制器从仿真器采集电网电压、电流、编码器信号等；然后经过控制算法的运算后，向仿真器发出控制IGBT开通和关断的PWM信号。
上图为实时仿真系统运行的上位界面，此时系统还处于发电机空载运行的状态，即通过转子侧逆变器控制转子励磁电流从而使得双馈电机达到并网条件（定子电压幅度、相位、频率与电网电压一致）。图中可以看到发电机定子的电压（蓝色），在转子变流器的控制下逐渐与电网电压（红色）同频同相同幅的过程。
上图为艾克赛普为最终客户（北方某大学）搭建的双馈风机实时仿真系统的实验室照片，图中可以看到实时仿真器(PXI)与变流器控制器(CompactRIO)。
【基于FPGA和平均值的实时仿真】
解决电力电子系统实时仿真的办法之一就是基于FPGA的平均值法[参考文献1]，该方法的要点利用FPGA来测量PWM脉冲的脉宽，用等效电路来代替原来的电力电子变流桥。远宽能源的电磁暂态实时仿真软件StarSim直接提供了用于实时仿真用途的Real-Time Converter Bridge，用户可以直接用StarSim搭建出可以直接实时运行的电力电子系统模型。StarSim中的双馈电机模型考虑了空载情况，并且可以实现空载和并网工况的平滑切换，基于StarSim可以仿真从双馈风机从空载励磁到并网发电的完整过程。
整个系统的方案设计如上，系统硬件由2部分组合，第一部分是CompactRIO（NI公司提供的一种工业计算机），作为风机变流器的控制器，通过运行双馈风机的空载与并网控制算法来发送PWM信号对变流器里的IGBT进行控制。第二部分是PXI与FPGA板卡，作为双馈风机系统的实时仿真器。 两个硬件平台通过IO板卡接口，并且这个接口和控制器控制真实的双馈风机设备完全一致，即控制器从仿真器采集电网电压、电流、编码器信号等；然后经过控制算法的运算后，向仿真器发出控制IGBT开通和关断的PWM信号。
上图为实时仿真系统运行的上位界面，此时系统还处于发电机空载运行的状态，即通过转子侧逆变器控制转子励磁电流从而使得双馈电机达到并网条件（定子电压幅度、相位、频率与电网电压一致）。图中可以看到发电机定子的电压（蓝色），在转子变流器的控制下逐渐与电网电压（红色）同频同相同幅的过程。
上图为艾克赛普为最终客户（北方某大学）搭建的双馈风机实时仿真系统的实验室照片，图中可以看到实时仿真器(PXI)与变流器控制器(CompactRIO)。
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