時(shí)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(jiǎn)稱DG)技術(shù)是解決未來能源和環(huán)境問題的一個(gè)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(shè)計(jì)方案，用于分布式電源(Distributed Energy Resources，簡(jiǎn)稱DERs)并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究。該方案采用NI-PXI為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)完成分布式電源數(shù)字模型部分的實(shí)時(shí)計(jì)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(shí)現(xiàn)數(shù)字部分和物理部分之間信息交互，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)/?；旌蠈?shí)時(shí)仿真的目的。此處以雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了該方案的可行性，為研究分布式發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行控制提供了良好、通用且便捷的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?！　￡P(guān)鍵詞：分布式發(fā)電;數(shù)?；旌戏抡?換流器　　1 引言　　面對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力，各國(guó)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?gòu)U氣排放量，但也給傳統(tǒng)電網(wǎng)的運(yùn)行與管理帶來新的挑戰(zhàn)，DERs的并網(wǎng)運(yùn)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(yīng)用的基本研究課題?！　∧壳埃芯可鲜鰡栴}的主要手段還是物理仿真和數(shù)字仿真。物理仿真即動(dòng)模實(shí)驗(yàn)，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(duì)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)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(shí)現(xiàn);數(shù)字仿真即軟件仿真，雖不受研究對(duì)象規(guī)模和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的限制，但仿真模型通常都有不同程度的簡(jiǎn)化，準(zhǔn)確性不及物理模型仿真，且無法模擬未知或難于用數(shù)學(xué)表達(dá)式描述的物理現(xiàn)象。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合兩者優(yōu)點(diǎn)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(yīng)用?！　∵@里提出一種DG數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的實(shí)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(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)，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(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相連實(shí)現(xiàn)數(shù)?；旌戏抡?。最后，以模擬雙饋風(fēng)電機(jī)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方案的可行性?！　? 數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真系統(tǒng)　　2.1 系統(tǒng)架構(gòu)　　圖1為數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)。對(duì)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(jiǎn)稱HIL)實(shí)時(shí)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(shí)際的系統(tǒng)控制和保護(hù)裝置，混合仿真接口完成二者的信號(hào)匹配，實(shí)現(xiàn)混合實(shí)時(shí)仿真下的控制保護(hù)策略等方面的研究。對(duì)于DERs與電網(wǎng)交互影響方面的研究，根據(jù)不同研究?jī)?nèi)容，采用不同的混合仿真方案，當(dāng)關(guān)注電源側(cè)暫態(tài)行為時(shí)，通常構(gòu)建電網(wǎng)的數(shù)字模型，電源為物理模型;反之，當(dāng)關(guān)注電網(wǎng)側(cè)的動(dòng)態(tài)行為時(shí)，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(hào)系統(tǒng)和能量系統(tǒng)，需通過數(shù)?；旌戏抡娼涌趯?shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)系統(tǒng)到物理能量系統(tǒng)的信息映射，此時(shí)需要高性能的功率放大設(shè)備?！?center>
　　這里針對(duì)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(tái)的數(shù)?；旌戏抡嫦到y(tǒng)實(shí)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(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)等;物理部分為模擬電網(wǎng)，在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室中搭建，包含動(dòng)模發(fā)電機(jī)組、線路及負(fù)荷等。采用可控功率源作為混合仿真接口.實(shí)時(shí)將DERs數(shù)字仿真模型的輸出功率饋入物理仿真平臺(tái)?！　?.2 基于NI-PXI的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)　　PXI作為面向儀器系統(tǒng)的PCI擴(kuò)展，是一種總線技術(shù)，同時(shí)也是基于PC技術(shù)的模塊化I/O標(biāo)準(zhǔn)。此處采用M PXI-8110嵌入式控制器作為PXI數(shù)字仿真平臺(tái)的實(shí)時(shí)硬件目標(biāo)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(shí)時(shí)測(cè)試系統(tǒng)，其應(yīng)用架構(gòu)如圖2所示。　　在第3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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，通過主機(jī)上VeriStand系統(tǒng)資源管理器將生成的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)部署到PXI VeriStand實(shí)時(shí)引擎，并通過主機(jī)VeriStand工作區(qū)觀察實(shí)時(shí)仿真運(yùn)行狀態(tài)。PXI VeriStand實(shí)時(shí)引擎與主機(jī)VeriStand工作區(qū)和激勵(lì)配置文件編輯器進(jìn)行即時(shí)通信，獲取模型外部參數(shù)，如風(fēng)速、光照、功率調(diào)節(jié)指令等，從而使實(shí)時(shí)仿真能夠模擬外部條件的變化?！　?.3 風(fēng)電并網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)　　圖3為以風(fēng)電并網(wǎng)為例構(gòu)建的數(shù)?；旌戏抡鎸?shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如圖所示，PXI平臺(tái)運(yùn)行DFIG及并網(wǎng)控制實(shí)時(shí)數(shù)字模型，接收人機(jī)界面給定的風(fēng)速信號(hào)，實(shí)時(shí)計(jì)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(hào)接入可控功率源PWM控制器的模擬輸入端口，從而實(shí)現(xiàn)有功無功指令的給定。另外，通過采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓將電網(wǎng)的響應(yīng)反饋至風(fēng)電機(jī)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(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)交換轉(zhuǎn)差功率，使風(fēng)電機(jī)組獲得變速運(yùn)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(fēng)力機(jī)、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(shí)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(dāng)發(fā)電機(jī)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(shí)，槳距角控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)槳距角β以限制風(fēng)機(jī)捕獲風(fēng)能，實(shí)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(jiǎn)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(yùn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果　　建立圖3所示的數(shù)?；旌戏抡鎸?shí)驗(yàn)系統(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(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量H=4.32 s。圖6為DFIG混合實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖6a為通過VeriStand工作區(qū)輸入到PXI數(shù)字模型的風(fēng)速曲線，風(fēng)速變化范圍約為5～15 m·s-1。圖6b為Matlab離線仿真和PXI實(shí)時(shí)仿真時(shí)，在相同的風(fēng)速激勵(lì)下，DFIG數(shù)字仿真模型離線運(yùn)行和數(shù)?；旌夏Ｐ蛯?shí)時(shí)運(yùn)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(shí)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(fēng)電機(jī)組功率輸出特性隨風(fēng)速變化。經(jīng)對(duì)比，PXI實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)能實(shí)現(xiàn)反映DERs功率輸出特性的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真，仿真準(zhǔn)確程度將取決于在第3方建模工具中所建模型的準(zhǔn)確程度。
　　圖6c為PXI實(shí)時(shí)仿真模型輸出的功率指令與可控功率源實(shí)際輸出功率的對(duì)比曲線。通過對(duì)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(zhǔn)確反映了DFIG在風(fēng)速變化條件下的功率變化特性。圖6d為DFIG實(shí)時(shí)仿真過程中某時(shí)段電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線和轉(zhuǎn)子電流變化波形。隨著風(fēng)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(jī)從次同步運(yùn)行狀態(tài)過渡到超同步運(yùn)行狀態(tài)。　　6 結(jié)論　　針對(duì)分布式電源并網(wǎng)控制技術(shù)研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出一種數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，采用PXI作為數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，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(gè)雙饋風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)混合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了方案的可行性。