Accexp基于PXI和StarSim的含雙饋發電機組的功率硬件在環仿真測試
2017-04-12
一、需求
希望能有一個平臺來研究雙饋風電機組和電網間的互相影響，尤其是有功功率的協調控制。傳統的電力系統動模實驗室不便于更改電網的拓撲，同時做短路等故障試驗也比較危險。但是仿真又存在建模假設比較理想的問題，比如仿真軟件中一般假設電機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的仿真試驗平臺，用以測試雙饋發電機組有功頻率控制器的相關控制性能。功率硬件在環試驗平臺中有實際的物理裝置也有電力系統實時仿真器，它能結合真實物理裝置和實時仿真各自的優點。
二、技術挑戰
搭建功率硬件在環系統需要三個裝置：實時仿真器、實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，實時仿真器要求能夠模擬仿真一個小型的電力系統，能夠模擬仿真電力系統不同的運行情形，用以測試雙饋風電機組在電力系統不同情形下的運行狀況。第二，實時仿真器和物理系統之間有因為數值仿真、接口電壓放大以及電流反饋等引入的延時，延時的大小會直接影響整個測試平臺的準確性和穩定性，因此實時仿真器的步長應盡可能小，并且也需要盡可能減小接口處的硬件I/O產生的延時。
三、軟硬件平臺
針對應用需求，選擇了National Instruments公司的PXI平臺作為實時仿真器的硬件平臺，PXI是一個工業計算機，它主要是由機箱、控制器（CPU模塊）和各種IO與通信模塊組成。控制器是一個高性能的嵌入式計算機，應用了最新的PC技術，集成最新的主流CPU、內存、硬盤等，可安裝Microsoft操作系統（如Windows2000/XP）或實時操作系統（如LabVIEW Real-Time）。
PXI運行實施操作系統時，PXI就可以用來作為實時仿真器，以其模塊化，性價比高，IO模塊豐富，軟件系統開放等特點，目前PXI已成為全世界眾多用戶進行硬件在環仿真的選擇。因此我們也選擇PXI作為實時仿真器，并配置相應的數據采集板卡，用以輸出需要放大的電壓并采集需要反饋的電流。
實時仿真軟件采用基于LabVIEW的電磁暫態仿真軟件StarSim，它的一個很大的特點就是同LabVIEW的無縫結合，用StarSim搭建的電力系統模型可以直接在NI的PXI上實現實時仿真。
四、項目描述
該項目是與清華大學電機系智能電網運行與優化實驗室合作完成。目前風電廠商較難設計出合適的控制器來滿足電力系統的實際需求；同樣電網公司也缺乏相應的手段來測試含有功頻率控制的風電機組和電力系統間的有功協調能力。為此設計基于實時仿真的功率硬件在環仿真測試平臺。通過電力系統實時仿真器模擬大電網，雙饋風電機組則用一套小功率的實際機組來模擬。平臺具體如下圖：
通過這樣一套裝置，模擬電力系統和雙饋發電機組間的相互耦合和影響，并以此平臺進行雙饋發電機組的有功調頻控制策略的仿真與測試。實際實驗平臺照片如下：
實驗設計：
1. 風電機組有功輸出變化對微網系統頻率變化影響
通過改變風電機組輸出有功的大小來觀察微網中系統頻率的變化，對電網頻率（pu）、母線電壓(V)和反饋電流(A)進行錄波，波形如下圖所示：
實際系統和實時數字仿真系統中的電壓和電流的有一個放大的關系，實際系統的380V對應仿真系統中的230kV，電流則是放大了50倍，這樣實際系統的風機功率到仿真系統中就放大了(230/0.38)*50=30263倍實際3kW風機等值為一個約90MVA的風機。實時仿真的微網系統還有四個容量為900MVA的同步發電機。電流波形圖中，兩個尖峰時候表示并網和脫網，分別在不同的時刻給定輸出功率1000W，2000W，2500W和3000W，然后逐漸降低功率，直至脫網。可以看到電網頻率也隨之變化。3000W時，最大頻率上升到了1.005*50=50.25Hz。
實際系統和實時數字仿真系統中的電壓和電流的有一個放大的關系，實際系統的380V對應仿真系統中的230kV，電流則是放大了50倍，這樣實際系統的風機功率到仿真系統中就放大了(230/0.38)*50=30263倍實際3kW風機等值為一個約90MVA的風機。實時仿真的微網系統還有四個容量為900MVA的同步發電機。電流波形圖中，兩個尖峰時候表示并網和脫網，分別在不同的時刻給定輸出功率1000W，2000W，2500W和3000W，然后逐漸降低功率，直至脫網。可以看到電網頻率也隨之變化。3000W時，最大頻率上升到了1.005*50=50.25Hz。
2. 微網不對稱故障時對風電機組的影響
通過在實時仿真系統中設置不對稱故障從而在風電機組接入點處產生不對稱電壓，來觀察風電機組的運行情況。下圖分別是實際風電機組電壓接入點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，試驗表明雙饋發電機組在三相不對稱電壓下仍然能正常工作。
五、總結
在該項目中，實時仿真器采用NI公司的PXI硬件和上海遠寬能源科技有限公司的StarSim電磁暫態仿真軟件加以實現。通過有功實驗和電壓不對稱實驗測試雙饋發電機組接入功率硬件在環平臺的可行性。為后續更多設備的測試和實驗提供了平臺設計基礎。
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