時間：2012年4月17日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 關(guān)鍵詞：NI-PXI 分布式發(fā)電 數(shù)模混合仿真

　　摘要：分布式發(fā)電(Distributed Generation，簡稱DG)技術(shù)是解決未來能源和環(huán)境問題的一個重要方向。這里提出一種分布式發(fā)電數(shù)模混合仿真系統(tǒng)的設計方案，用于分布式電源(Distributed Energy Resources，簡稱DERs)并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究。該方案采用NI-PXI為實時數(shù)字仿真平臺完成分布式電源數(shù)字模型部分的實時計算，通過基于雙PWM換流器的可控功率源模擬分布式電源的功率輸出，作為混合仿真接口實現(xiàn)數(shù)字部分和物理部分之間信息交互，從而實現(xiàn)數(shù)/?；旌蠈崟r仿真的目的。此處以雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)為例，驗證了該方案的可行性，為研究分布式發(fā)電并網(wǎng)運行控制提供了良好、通用且便捷的實驗平臺。　　關(guān)鍵詞：分布式發(fā)電;數(shù)?；旌戏抡?換流器　　1 引言　　面對能源危機和環(huán)境保護的雙重壓力，各國都在積極研究新能源DG技術(shù)。該技術(shù)能很好的提高一次能源利用率，減少廢氣排放量，但也給傳統(tǒng)電網(wǎng)的運行與管理帶來新的挑戰(zhàn)，DERs的并網(wǎng)運行控制、DERs與電網(wǎng)的交互影響，以及DERs的調(diào)度管理是DG技術(shù)應用的基本研究課題。　　目前，研究上述問題的主要手段還是物理仿真和數(shù)字仿真。物理仿真即動模實驗，物理意義明確，但受仿真規(guī)模和極端工況的限制較大，不能對實際系統(tǒng)運行情況進行充分的仿真研究，并且DERs的多樣性也使其物理仿真不易實現(xiàn);數(shù)字仿真即軟件仿真，雖不受研究對象規(guī)模和結(jié)構(gòu)復雜性的限制，但仿真模型通常都有不同程度的簡化，準確性不及物理模型仿真，且無法模擬未知或難于用數(shù)學表達式描述的物理現(xiàn)象。近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合兩者優(yōu)點的數(shù)?；旌戏抡婕夹g(shù)越來越受到重視，并得到一定的推廣應用。　　這里提出一種DG數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的實現(xiàn)方案，用于DERs并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究。該方案采用PXI作為實時數(shù)字仿真平臺，采用基于雙PWM換流器的可控功率源作為數(shù)?；旌戏抡娼涌?，通過其與動模實驗系統(tǒng)相連實現(xiàn)數(shù)模混合仿真。最后，以模擬雙饋風電機組(DFIG)的并網(wǎng)控制為例，構(gòu)建數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)，通過實驗驗證了所設計方案的可行性。　　2 數(shù)?；旌蠈崟r仿真系統(tǒng)　　2.1 系統(tǒng)架構(gòu)　　圖1為數(shù)?；旌蠈崟r仿真系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。對于分布式電源側(cè)的控制研究，可采用硬件在環(huán)(Hardware In Loop，簡稱HIL)實時混合仿真技術(shù)，其方案是：數(shù)字仿真模型為DG系統(tǒng)模型，物理模型為實際的系統(tǒng)控制和保護裝置，混合仿真接口完成二者的信號匹配，實現(xiàn)混合實時仿真下的控制保護策略等方面的研究。對于DERs與電網(wǎng)交互影響方面的研究，根據(jù)不同研究內(nèi)容，采用不同的混合仿真方案，當關(guān)注電源側(cè)暫態(tài)行為時，通常構(gòu)建電網(wǎng)的數(shù)字模型，電源為物理模型;反之，當關(guān)注電網(wǎng)側(cè)的動態(tài)行為時，則電網(wǎng)為物理模型，電源為數(shù)字模型。無論采用上述哪種混合仿真方案，由于數(shù)字模型和物理模型分別為信號系統(tǒng)和能量系統(tǒng)，需通過數(shù)模混合仿真接口實現(xiàn)數(shù)字信號系統(tǒng)到物理能量系統(tǒng)的信息映射，此時需要高性能的功率放大設備。　
　　這里針對DERs并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制與能量管理研究這一課題背景，提出一種基于NI-PXI平臺的數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)實現(xiàn)方案。其中，數(shù)字仿真部分為DERs模型，如光伏發(fā)電系統(tǒng)或風力發(fā)電系統(tǒng)等;物理部分為模擬電網(wǎng)，在動模實驗室中搭建，包含動模發(fā)電機組、線路及負荷等。采用可控功率源作為混合仿真接口.實時將DERs數(shù)字仿真模型的輸出功率饋入物理仿真平臺?！　?.2 基于NI-PXI的實時數(shù)字仿真平臺　　PXI作為面向儀器系統(tǒng)的PCI擴展，是一種總線技術(shù)，同時也是基于PC技術(shù)的模塊化I/O標準。此處采用M PXI-8110嵌入式控制器作為PXI數(shù)字仿真平臺的實時硬件目標終端，并利用支持PXI的軟件開發(fā)環(huán)境NI VeriStand配置創(chuàng)建實時測試系統(tǒng)，其應用架構(gòu)如圖2所示?！　≡诘?方建模環(huán)境，如Matlab/Simulink中建立DERs的數(shù)字仿真模型，編譯生成模型動態(tài)鏈接庫，通過主機上VeriStand系統(tǒng)資源管理器將生成的動態(tài)鏈接庫部署到PXI VeriStand實時引擎，并通過主機VeriStand工作區(qū)觀察實時仿真運行狀態(tài)。PXI VeriStand實時引擎與主機VeriStand工作區(qū)和激勵配置文件編輯器進行即時通信，獲取模型外部參數(shù)，如風速、光照、功率調(diào)節(jié)指令等，從而使實時仿真能夠模擬外部條件的變化?！　?.3 風電并網(wǎng)實時仿真實驗系統(tǒng)的實現(xiàn)　　圖3為以風電并網(wǎng)為例構(gòu)建的數(shù)模混合仿真實驗系統(tǒng)。如圖所示，PXI平臺運行DFIG及并網(wǎng)控制實時數(shù)字模型，接收人機界面給定的風速信號，實時計算DFIG的輸出功率，并通過多功能I/O模塊NI PXI-7851R的模擬輸出端口，將輸出功率給定信號接入可控功率源PWM控制器的模擬輸入端口，從而實現(xiàn)有功無功指令的給定。另外，通過采集并網(wǎng)點電壓將電網(wǎng)的響應反饋至風電機組的數(shù)字模型?！?center>
　　3 DFIG數(shù)字仿真模型　　DFIG定子側(cè)直接與電網(wǎng)連接，轉(zhuǎn)子側(cè)通過雙PWM換流器與電網(wǎng)連接，換流器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子繞組電壓，實現(xiàn)與電網(wǎng)交換轉(zhuǎn)差功率，使風電機組獲得變速運行能力。在Matlab/Simulink中搭建DFIG并網(wǎng)控制仿真模型，如圖4所示，包括風力機、軸系、DFIG、換流器及其控制模型等。轉(zhuǎn)子側(cè)換流器控制采用定子電壓定向矢量控制技術(shù)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子電壓的幅值和頻率，實現(xiàn)定子側(cè)有功功率和無功功率的解耦控制，網(wǎng)側(cè)換流器控制則采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。槳距角控制用于DFIG的轉(zhuǎn)速和功率限制，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速高于最大轉(zhuǎn)速或系統(tǒng)輸出功率超過額定功率時，槳距角控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)風機槳距角β以限制風機捕獲風能，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速或功率限制?！　? 基于雙PWM換流器可控功率源控制　　三相電壓型PWM換流器控制方法分為直接電流控制和間接電流控制，其中間接電流控制的結(jié)構(gòu)簡單。此處采用基于電壓矢量幅相控制的間接電流控制，控制策略為：整流側(cè)PWM控制維持直流母線電壓恒定和單位功率因數(shù)運行，逆變側(cè)PWM控制調(diào)節(jié)逆變電壓矢量的相位和幅值以跟蹤有功和無功功率指令，控制原理如圖5所示。
　　5 實驗結(jié)果　　建立圖3所示的數(shù)?；旌戏抡鎸嶒炏到y(tǒng)?？煽毓β试搭~定參數(shù)為：Pn=30 kW;Uo=380 V;整流側(cè)電感LR=1.68mH;逆變側(cè)LI=2.26mH。 DFIG主要參數(shù)：定子電阻Rs=0.023pu，定子漏感Ls=0.18pu，轉(zhuǎn)子電阻Rr=0.016pu，轉(zhuǎn)子漏感Lr=0.16pu，激磁電感Lm=2.9pu，機組轉(zhuǎn)動慣量H=4.32 s。圖6為DFIG混合實時仿真實驗結(jié)果。圖6a為通過VeriStand工作區(qū)輸入到PXI數(shù)字模型的風速曲線，風速變化范圍約為5～15 m·s-1。圖6b為Matlab離線仿真和PXI實時仿真時，在相同的風速激勵下，DFIG數(shù)字仿真模型離線運行和數(shù)模混合模型實時運行有功功率和無功功率輸出曲線。由圖可見，在這里采用的控制策略下，實現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制，且有功功率按照風電機組功率輸出特性隨風速變化。經(jīng)對比，PXI實時仿真平臺能實現(xiàn)反映DERs功率輸出特性的實時數(shù)字仿真，仿真準確程度將取決于在第3方建模工具中所建模型的準確程度。
　　圖6c為PXI實時仿真模型輸出的功率指令與可控功率源實際輸出功率的對比曲線。通過對比可見，可控功率源的輸出功率可快速跟隨功率指令的變化，準確反映了DFIG在風速變化條件下的功率變化特性。圖6d為DFIG實時仿真過程中某時段電機轉(zhuǎn)速變化曲線和轉(zhuǎn)子電流變化波形。隨著風速增加，DFIG轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)子電流在控制器的調(diào)節(jié)作用下以轉(zhuǎn)差頻率向DFIG提供轉(zhuǎn)差功率，電機從次同步運行狀態(tài)過渡到超同步運行狀態(tài)。　　6 結(jié)論　　針對分布式電源并網(wǎng)控制技術(shù)研究的實驗平臺，提出一種數(shù)模混合實時仿真系統(tǒng)設計方案，采用PXI作為數(shù)字實時仿真平臺，基于雙PWM換流器的可控功率源作為仿真系統(tǒng)數(shù)字部分和物理部分的功率接口。通過構(gòu)建一個雙饋風電機組并網(wǎng)混合仿真實驗系統(tǒng)，驗證了方案的可行性。