王丹，石新春，孫玉巍，付超

(華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

近年來，風(fēng)力發(fā)電作為一種溫室氣體零排放的替代能源技術(shù)，被認(rèn)為有可能在未來成為新增發(fā)電量的生力軍。中國是風(fēng)力發(fā)電資源儲量非常豐富的國家，也是最早利用風(fēng)能的國家[1]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于風(fēng)電場的建設(shè)投資大，耗時長，且受地域性差異影響較大，風(fēng)力發(fā)電的發(fā)展受到了一定的阻礙和限制。而已建成的風(fēng)電場在調(diào)試階段進(jìn)行的實(shí)驗隨機(jī)性較大，如季節(jié)、氣候、風(fēng)速、溫度或濕度等的差異，會導(dǎo)致實(shí)驗結(jié)果變化較大，無法得到穩(wěn)定和有效的實(shí)驗數(shù)據(jù)。

針對上述情況，本文提出了一種基于NI PXI及cRIO的可控功率源(Controllable Power Source，CPS)硬件在環(huán)仿真平臺。該平臺可模擬多種風(fēng)電場的工作狀況，具有投資少，周期短，且不受氣候與地域影響的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗過程中，根據(jù)不同的需求對軟件進(jìn)行特定的參數(shù)設(shè)計和修改，可做到實(shí)驗?zāi)康拿鞔_，條件可控。此外，CPS的擴(kuò)展功能強(qiáng)大，可模擬不同的發(fā)電系統(tǒng)，如在 PXI中加載光板模型，并給定輻照數(shù)據(jù)，即可對光伏系統(tǒng)進(jìn)行模擬研究。利用該平臺可在沒有實(shí)際風(fēng)電場的情況下，進(jìn)行風(fēng)力發(fā)電的相關(guān)實(shí)驗研究。

文獻(xiàn)[2]介紹了一種基于 PXI和 cRIO的車載 ESP系統(tǒng)，驗證了此類仿真平臺的可應(yīng)用性，文獻(xiàn)[3]闡述了利用Labview編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的測試測量技術(shù)，為系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)提供了理論參考。

1 系統(tǒng)構(gòu)架

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

可控功率源硬件在環(huán)仿真平臺主要由上位機(jī)、下位機(jī)、控制器、執(zhí)行器及傳感器等環(huán)節(jié)構(gòu)成。圖1為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖1 CPS仿真平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上位機(jī)為一臺工業(yè)控制計算機(jī)，用于實(shí)時監(jiān)控實(shí)驗進(jìn)程。利用Labview軟件編寫G語言控制及監(jiān)控程序，實(shí)時顯示并存儲各項實(shí)驗數(shù)據(jù)，包括電壓采樣信號、電流采樣信號及功率反饋等。此外，上位機(jī)中運(yùn)行Veristand子程序，向PXI中加載的風(fēng)電場模型輸入激勵信號，如風(fēng)速信號、有功功率給定及無功功率給定等。

PXI(PCI eXtensions for Instrumentation)作為面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)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的標(biāo)準(zhǔn)，NI公司的實(shí)時PXI平臺具備比較完整的硬件體系和與之對應(yīng)的軟件支持。下位機(jī)采用NI PXI－8110嵌入式控制器作為PXI數(shù)字仿真平臺的實(shí)時硬件目標(biāo)終端，其為一款基于Intel Core 2 Quad Q9100的高性能嵌入式控制器，包含2.26 GHz四核處理器，2 GB、800 MHz DDR2內(nèi)存和7 200 rpm高性能硬盤。

圖2 可控功率源系統(tǒng)構(gòu)成

利用MATLAB/Simulink搭建雙反饋感應(yīng)電機(jī)平均值模型(DFIG Average Model)，并構(gòu)建風(fēng)電場模型，作為實(shí)驗的模擬對象?？稍趨?shù)設(shè)置中修改風(fēng)機(jī)數(shù)量及其轉(zhuǎn)動慣量等數(shù)值，以適應(yīng)不同容量的風(fēng)電場對象，模擬不同的實(shí)驗環(huán)境[4]。PXI平臺上加載DFIG模型及并網(wǎng)控制程序，接受由人機(jī)界面給定的風(fēng)速信號，實(shí)時計算風(fēng)電機(jī)組的輸出功率。通過Veristand子程序?qū)⒐β式o定通道映射至多功能IO模塊NI PXI－7851R的模擬信號輸出端口，并將其輸出量接至可控功率源的雙PWM控制器的模擬輸入端口，從而實(shí)現(xiàn)有功與無功功率指令的給定[5]。此外，通過采集網(wǎng)點(diǎn)信號將電網(wǎng)的響應(yīng)反饋至風(fēng)電機(jī)組的數(shù)字模型中，通過相應(yīng)的控制程序進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)，如圖2所示。

控制器采用NI cRIO 9025作為控制核心，其為一款嵌入式實(shí)時控制器，是高性能CompactRIO可編程自動化控制器(PAC)平臺中的一個器件。它既具有一個800 MHz Freescale的工業(yè)實(shí)時處理器，實(shí)現(xiàn)著確定可靠的實(shí)時應(yīng)用，也包含512 MB的 DDR2 RAM與4 GB的非易失性存儲介質(zhì)，用于實(shí)現(xiàn)程序存儲與數(shù)據(jù)記錄。cRIO 9025中加載雙PWM控制算法，將采樣得到的信號進(jìn)行調(diào)理、運(yùn)算，得到兩組6路的PWM脈沖，分別經(jīng)兩塊NI 9474處理后轉(zhuǎn)換為IGBT可識別的驅(qū)動信號，控制雙向換流器的運(yùn)行狀態(tài)。NI 9474是一款C系列8通道1 μs高速源極數(shù)字輸出模塊，它能在任何NI CompactDAQ或CompactRIO機(jī)箱中運(yùn)行。每條通道都兼容5～30 V信號，并具有輸出通道和地面間的2 300 Vrms瞬時過壓保護(hù)，每條通道都有一個狀態(tài)顯示LED。

執(zhí)行器是系統(tǒng)的功率主體部分，其為一套在背靠背(Back To Back，BTB)的雙PWM換流器基礎(chǔ)上搭建的可控功率源系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的有功、無功功率給定指令調(diào)節(jié)相應(yīng)的功率輸出。

傳感器包括直流電壓霍爾傳感器、交流電壓傳感器和交流電流傳感器，分別檢測雙向換流器級間直流電壓、網(wǎng)側(cè)及輸入端交流電壓和交流電流，并將采樣信號分別輸出至cRIO背板上的NI 9205、NI 9223和NI 9215上進(jìn)行信號調(diào)理，為獲得良好的調(diào)節(jié)效果，軟件程序上增設(shè)低通濾波器以使信號平滑、可靠，供控制器處理、運(yùn)算。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖3為系統(tǒng)的控制程序設(shè)計流程圖。

圖3 主控程序流程

利用 MATLAB/Simulink、Veristand及 Labview三種編程軟件設(shè)計系統(tǒng)控制程序，并分別加載至PXI和工控機(jī)中。NI VeriStand是支持PXI的基于配置的軟件開發(fā)環(huán)境，能夠高效的創(chuàng)建實(shí)時測試系統(tǒng)，在第三方建模環(huán)境中，如MATLAB/Simulink中建立分布式電源的數(shù)字仿真模型，編譯生成模型動態(tài)鏈接庫，通過主機(jī)上VeriStand系統(tǒng)資源管理器將生成的動態(tài)鏈接庫部署到實(shí)時PXI平臺上的VeriStand實(shí)時引擎中，并通過Veristand工作區(qū)觀察實(shí)時仿真運(yùn)行狀態(tài)。PXI VeriStand實(shí)時引擎與主機(jī)Veristand工作區(qū)的人機(jī)交互界面和激勵配置文件編輯器進(jìn)行即時通 信，獲取模型外部參數(shù)，如風(fēng)速、光照與功率調(diào)節(jié)指令 等，從而使得實(shí)時仿真能夠模擬外部條件的變化[6]。如圖4所示。

Labview是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語言，提供成熟的G代碼編程環(huán)境，構(gòu)建框圖形式的主控程序，并可方便的創(chuàng)建用戶界面，使用它進(jìn)行原理設(shè)計和研究可以大大提高工作效率。如圖5所示。

圖4 Veristand控制程序

圖5 Labview控制程序

實(shí)驗開始時，所有參數(shù)復(fù)位，按照圖3所示的操作流程啟動設(shè)備，通過觀察監(jiān)控界面上的相關(guān)曲線和數(shù)據(jù)，對功率指令和PI參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定。

2 實(shí)驗結(jié)果

可控功率源額定參數(shù)為:Pn=30 kW;Un=380 V;整流側(cè)電感LR=1.68 mH;逆變側(cè)LI=2.26 mH。雙饋電機(jī)的主要參數(shù)為:定子電阻 Rs=0.023 pu，定子漏感 Ls=0.18 pu，轉(zhuǎn)子電阻 Rr=0.016 pu，轉(zhuǎn)子漏感 Lr=0.16 pu，激磁電感 Lm=2.9 pu，機(jī)組慣性系數(shù) H=4.32 s。

圖6 PC給定功率命令時系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

2.1 可控功率源特性驗證

通過LabView界面上直接給定有功、無功功率指令，對基于雙PWM換流器的可控功率源的控制特性進(jìn)行測試。實(shí)驗結(jié)果如圖6所示，圖6(a)為整流側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行時的電壓、電 流 波形;圖 6(b)、(c)和(d)分別為逆變側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行和發(fā)出不同有功、無功功率時的電壓、電流波形。

由以上實(shí)驗結(jié)果可知，可控功率源平臺的有功功率和無功功率的輸入、輸出可以進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，表明系統(tǒng)的硬件工作性能可靠、正常。

2.2 風(fēng)力發(fā)電硬件在環(huán)仿真實(shí)驗結(jié)果

圖7為一組通過Veristand輸入到 PXI風(fēng)機(jī)模型中的風(fēng)速曲線，風(fēng)速變化范圍約為5m/s～15m/s。在此風(fēng)速信號的激勵下，PXI計算出一組隨風(fēng)速變化的對應(yīng)的有功功率數(shù)字信號，輸出至可控功率源的功率給定接口。

圖8為PXI實(shí)時仿真模型輸出的功率指令與可控功率源實(shí)際響應(yīng)下輸出功率的對比曲線。從對比曲線可以看出，可控功率源的輸出功率可快速跟隨功率指令的變化，可以準(zhǔn)確反映風(fēng)電機(jī)組在風(fēng)速變化條件下的功率變化特性。

3 結(jié)束語

針對分布式發(fā)電并網(wǎng)控制技術(shù)的實(shí)驗研究，提出了一種硬件在環(huán)仿真平臺，采用PXI作為數(shù)字實(shí)時仿真平臺，搭建了一套基于雙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(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)混合仿真實(shí)驗系統(tǒng)，驗證了本方案的可行性。

實(shí)驗表明，這種基于NI PXI及cRIO的可控功率源硬件在環(huán)仿真平臺，可以準(zhǔn)確、有效地模擬風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，作為風(fēng)力發(fā)電等各種新能源技術(shù)研發(fā)的前期實(shí)驗平臺，具有準(zhǔn)確、高效，造價低和便于推廣等優(yōu)點(diǎn)。

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