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Accexp雙饋風(fēng)機(jī)變流控制器實時仿真測試
2017-04-12
隨著人們對環(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)，其特點是電力電子器件只通過部分功率，利于降低成本。雙饋風(fēng)機(jī)通過一對背靠背的變流橋來控制電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓的頻率和幅度，從而實現(xiàn)變速恒頻，有功無功解耦控制等。
對于雙饋風(fēng)機(jī)這樣的大功率電力電子系統(tǒng)，直接在物理設(shè)備上做實驗，如故障實驗，有著很多不便之處。使用實時仿真器來開發(fā)和測試電力電子控制器就不會有這些局限。為此最終客戶希望搭建一套雙饋風(fēng)機(jī)變流控制器實時仿真測試系統(tǒng)。
【技術(shù)挑戰(zhàn)】
雙饋風(fēng)機(jī)是一個典型的電力電子系統(tǒng)。同傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的實時仿真不同，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，實時仿真器需要有非常?。ㄎ⒚肓考墸┑姆抡娌介L才能準(zhǔn)確的仿真這樣的系統(tǒng)。而普通的基于CPU的實時仿真系統(tǒng)由于硬件架構(gòu)等限制，無法直接實現(xiàn)這樣的小步長實時仿真。
同時由于雙饋風(fēng)機(jī)空載時的模型和并網(wǎng)的模型不同，常用的離線仿真軟件一般都無法完整的仿真雙饋風(fēng)機(jī)從空載勵磁到并網(wǎng)發(fā)電的過程。
整個系統(tǒng)的方案設(shè)計如上，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)計算機(jī)），作為風(fēng)機(jī)變流器的控制器，通過運(yùn)行雙饋風(fēng)機(jī)的空載與并網(wǎng)控制算法來發(fā)送PWM信號對變流器里的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)的實時仿真器。 兩個硬件平臺通過IO板卡接口，并且這個接口和控制器控制真實的雙饋風(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、編碼器信號等；然后經(jīng)過控制算法的運(yùn)算后，向仿真器發(fā)出控制IGBT開通和關(guān)斷的PWM信號。
上圖為實時仿真系統(tǒng)運(yùn)行的上位界面，此時系統(tǒng)還處于發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行的狀態(tài)，即通過轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制轉(zhuǎn)子勵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)實時仿真系統(tǒng)的實驗室照片，圖中可以看到實時仿真器(PXI)與變流器控制器(CompactRIO)。
【基于FPGA和平均值的實時仿真】
解決電力電子系統(tǒng)實時仿真的辦法之一就是基于FPGA的平均值法[參考文獻(xiàn)1]，該方法的要點利用FPGA來測量PWM脈沖的脈寬，用等效電路來代替原來的電力電子變流橋。遠(yuǎn)寬能源的電磁暫態(tài)實時仿真軟件StarSim直接提供了用于實時仿真用途的Real-Time Converter Bridge，用戶可以直接用StarSim搭建出可以直接實時運(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)從空載勵磁到并網(wǎng)發(fā)電的完整過程。
整個系統(tǒng)的方案設(shè)計如上，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)計算機(jī)），作為風(fēng)機(jī)變流器的控制器，通過運(yùn)行雙饋風(fēng)機(jī)的空載與并網(wǎng)控制算法來發(fā)送PWM信號對變流器里的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)的實時仿真器。 兩個硬件平臺通過IO板卡接口，并且這個接口和控制器控制真實的雙饋風(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、編碼器信號等；然后經(jīng)過控制算法的運(yùn)算后，向仿真器發(fā)出控制IGBT開通和關(guān)斷的PWM信號。
上圖為實時仿真系統(tǒng)運(yùn)行的上位界面，此時系統(tǒng)還處于發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行的狀態(tài)，即通過轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器控制轉(zhuǎn)子勵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)實時仿真系統(tǒng)的實驗室照片，圖中可以看到實時仿真器(PXI)與變流器控制器(CompactRIO)。
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