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远景Envision - MW级双馈风机变流器控制器硬件在环仿真测试

需求

远景能源(Envision) 是知名的风机设备厂家,是中国目前最大的海上风机解决方案提供商,远景能源专门针对中国近海风电开发而设计的4MW 海上风机,运用全球首创的智能控制技术、先进的测量技术、数据分析专家系统、主动性能控制和基于可靠性的决策算法等,使得发电效率要比同类产品高20%,成为中国近海风电开发的首选机型。(信息来源 远景网站 www.envisioncn.com)

Envision 风机变频器控制器的研发和测试部门希望有一个能够真实模拟双馈风力发电机(DFIG)的硬件在环实时仿真平台,一方面希望能用这个平台方便的对变频器控制器进行各种工况的测试,尤其是电网故障工况的测试; 另外一方面,风机系统的运行受气象条件的影响很大,但气象条件是不可控的;这样一个实时仿真平台也便于重现风机系统在现场遇到的各种气象条件,真实的重现现场工况,方便在实验室对各种现场工况进行重现、测试和调试。



双馈风机系统的实时仿真

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。


双馈风机系统示意图


CPU与FPGA的联合仿真

双馈风机中的电机和变流桥部分是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,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。远宽能源利用FPGA来实现对双馈风机中电机以及电力电子变流器的实时仿真;同时双馈风电系统也含有如无穷大、输电线路等交流网架,该部分用CPU来实时仿真,整个系统是一个CPU和FPGA联合仿真的系统。

从空载到并网的完整工况仿真

实际的双馈风机系统运行时,都有一个从空载励磁到并网的过程,空载时的模型和并网的模型不同。而目前常用的离线仿真软件只提供了并网后的电机模型,一般是通过让用户设置电机的初始条件来实现从某一个并网后的工况开始仿真,这样的模型无法同从空载励磁开始控制系统的实际控制器构成闭环。

ModelingTech提供的双馈风机模型同时支持空载励磁工况和并网工况,可以完整地模拟从空载励磁到并网发电的全过程。下图演示了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。


基于StarSim 和PXI 的硬件在环仿真系统

系统的架构图如下,可以看到实时仿真器是一个CPU和FPGA联合仿真的架构。




 


下面左边的图为机柜后方照,可以看到实时运行着StarSim双馈风机模型的PXI,下面右边的图为机柜正面照。




机柜背面照   


机柜正面照





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