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Accexp雙饋風(fēng)機(jī)變流控制器實(shí)時(shí)仿真測(cè)試
2017-04-12
隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的重視，風(fēng)能作為一種清潔的能源日益受到關(guān)注。雙饋風(fēng)電機(jī)組是一種主流的風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)是電力電子器件只通過(guò)部分功率，利于降低成本。雙饋風(fēng)機(jī)通過(guò)一對(duì)背靠背的變流橋來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓的頻率和幅度，從而實(shí)現(xiàn)變速恒頻，有功無(wú)功解耦控制等。
對(duì)于雙饋風(fēng)機(jī)這樣的大功率電力電子系統(tǒng)，直接在物理設(shè)備上做實(shí)驗(yàn)，如故障實(shí)驗(yàn)，有著很多不便之處。使用實(shí)時(shí)仿真器來(lái)開發(fā)和測(cè)試電力電子控制器就不會(huì)有這些局限。為此最終客戶希望搭建一套雙饋風(fēng)機(jī)變流控制器實(shí)時(shí)仿真測(cè)試系統(tǒng)。
【技術(shù)挑戰(zhàn)】
雙饋風(fēng)機(jī)是一個(gè)典型的電力電子系統(tǒng)。同傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真不同，電力電子系統(tǒng)含有快速開關(guān)的元件。如果用普通的仿真方法，實(shí)時(shí)仿真器需要有非常?。ㄎ⒚肓考?jí)）的仿真步長(zhǎng)才能準(zhǔn)確的仿真這樣的系統(tǒng)。而普通的基于CPU的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)由于硬件架構(gòu)等限制，無(wú)法直接實(shí)現(xiàn)這樣的小步長(zhǎng)實(shí)時(shí)仿真。
同時(shí)由于雙饋風(fēng)機(jī)空載時(shí)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(wú)法完整的仿真雙饋風(fēng)機(jī)從空載勵(lì)磁到并網(wǎng)發(fā)電的過(guò)程。
整個(gè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)），作為風(fēng)機(jī)變流器的控制器，通過(guò)運(yùn)行雙饋風(fēng)機(jī)的空載與并網(wǎng)控制算法來(lái)發(fā)送PWM信號(hào)對(duì)變流器里的IGBT進(jìn)行控制。第二部分是PXI與FPGA板卡，作為雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真器。 兩個(gè)硬件平臺(tái)通過(guò)IO板卡接口，并且這個(gè)接口和控制器控制真實(shí)的雙饋風(fēng)機(jī)設(shè)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(hào)等；然后經(jīng)過(guò)控制算法的運(yùn)算后，向仿真器發(fā)出控制IGBT開通和關(guān)斷的PWM信號(hào)。
上圖為實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)運(yùn)行的上位界面，此時(shí)系統(tǒng)還處于發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行的狀態(tài)，即通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流從而使得雙饋電機(jī)達(dá)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(jī)定子的電壓（藍(lán)色），在轉(zhuǎn)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(guò)程。
上圖為艾克賽普為最終客戶（北方某大學(xué)）搭建的雙饋風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室照片，圖中可以看到實(shí)時(shí)仿真器(PXI)與變流器控制器(CompactRIO)。
【基于FPGA和平均值的實(shí)時(shí)仿真】
解決電力電子系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真的辦法之一就是基于FPGA的平均值法[參考文獻(xiàn)1]，該方法的要點(diǎn)利用FPGA來(lái)測(cè)量PWM脈沖的脈寬，用等效電路來(lái)代替原來(lái)的電力電子變流橋。遠(yuǎn)寬能源的電磁暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真軟件StarSim直接提供了用于實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)運(yùn)行的電力電子系統(tǒng)模型。StarSim中的雙饋電機(jī)模型考慮了空載情況，并且可以實(shí)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(fēng)機(jī)從空載勵(lì)磁到并網(wǎng)發(fā)電的完整過(guò)程。
整個(gè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)），作為風(fēng)機(jī)變流器的控制器，通過(guò)運(yùn)行雙饋風(fēng)機(jī)的空載與并網(wǎng)控制算法來(lái)發(fā)送PWM信號(hào)對(duì)變流器里的IGBT進(jìn)行控制。第二部分是PXI與FPGA板卡，作為雙饋風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真器。 兩個(gè)硬件平臺(tái)通過(guò)IO板卡接口，并且這個(gè)接口和控制器控制真實(shí)的雙饋風(fēng)機(jī)設(shè)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(hào)等；然后經(jīng)過(guò)控制算法的運(yùn)算后，向仿真器發(fā)出控制IGBT開通和關(guān)斷的PWM信號(hào)。
上圖為實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)運(yùn)行的上位界面，此時(shí)系統(tǒng)還處于發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行的狀態(tài)，即通過(guò)轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流從而使得雙饋電機(jī)達(dá)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(jī)定子的電壓（藍(lán)色），在轉(zhuǎn)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(guò)程。
上圖為艾克賽普為最終客戶（北方某大學(xué)）搭建的雙饋風(fēng)機(jī)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室照片，圖中可以看到實(shí)時(shí)仿真器(PXI)與變流器控制器(CompactRIO)。
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