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清华大学 - 微网系统功率硬件在环仿真

需求

清华大学电机系智能电网运行与优化实验室希望能有一个平台来研究含有含双馈风电的微电网的有功调频控制策略。传统的电力系统动模(微缩的物理模型)实验室不便于更改系统的拓扑,同时做短路等故障试验也比较危险,但实时仿真存在电机模型较理想的问题,为此希望搭建一套既含有真实电机、也含有电力系统实时仿真器的功率硬件在环仿真系统,这样的系统能结合真实物理装置和实时仿真器各自的优点,并以此平台进行微电网中的双馈发电机组的有功调频控制策略的仿真与测试。

基于StarSim和PXI的功率硬件在环仿真系统

搭建功率硬件在环系统需要三个部分:实时仿真器、实际物理装置以及连接二者接口设备:



功率硬件在环仿真系统示意图


图中实时仿真器和实际设备通过电压源-电流源的接口方式构成闭环。实际物理设备在实时仿真器中建模为电流源,电流源两端的电压信号通过AO板卡传递给功率放大环节,功率放大环节会将弱电的电压信号无差地放大成功率级别的电压输出,给实际设备供电。传感器和数据采集板卡将实际设备的电流进行采集并无差地反馈到实时仿真器系统中来控制代表实际设备的可控电流源,如此构成闭环。

清华大学选择了远宽能源(ModelingTech)提供的电力系统实时仿真器来进行这个研究,此实时仿真器基于NI的PXI实时硬件平台以及远宽能源的StarSim电磁暂态实时仿真软件。StarSim具有利用多核并行的方法来在通用的Intel CPU上实现以往只有在专用的设备上才能实现的大电力系统的实时仿真能力;此实时仿真器具有体积小、IO和通信接口丰富、易于同实际的物理设备构成功率硬件在环仿真系统的优势。

项目描述

该功率硬件在环仿真系统的照片如下,中间的白色机箱是PXI实时仿真器,用以仿真微电网;其两侧是用以将弱电的电压信号无差地放大成功率级别的电压输出的功率放大装置;图的左上侧是实际的双馈发电机组的控制柜和实际双馈发电机组。



风电机组有功输出变化对微网系统频率影响实验

实际3kW双馈风机在仿真系统中等值为一个约90MVA的风机,实时仿真的微电网系统中还有四个容量为900MVA的同步发电机。通过改变风电机组输出有功的大小来观察微网中系统频率的变化,对电网频率(pu)、反馈电流(A)进行录波,波形如图所示:



风电机组有功输出变化对微网系统频率影响实验


电流波形图中,两个尖峰时候表示并网和脱网,分别在不同的时刻给实际电机设定1kW,2kW,2.5kW,3kW的输出功率,然后逐渐降低功率,直至脱网。可以看到随着风机输出功率的增加,微网的频率也随之变大,最大频率上升到了1.005*50=50.25Hz;当风机的输出功率变小后,微网频率随之减小。实验展示的频率变化趋势同有功功率对微网频率影响的理论相符。

微网不对称故障对风电机组的影响实验

通过在实时仿真系统中设置不对称故障从而在风电机组接入点处产生不对称电压,来观察风电机组的运行情况。下图是实际风电机组电压接入点处的三相电压和电流的波形图:



风电机组不对称故障试验波形图


可以明显看到有一相电压幅值明显低于其他两相电压。采样的反馈电流也是三相不对称,实验表明双馈发电机组在三相不对称电压下仍然能正常工作。

论文发表

清华大学成功利用此平台进行相关研究后,把成果总结发表于如下的英文学术期刊:

Yu Zhou, Jin Lin, Yonghua Song, et al; A power hardware-in-loop based testing bed for auxiliary active power control of wind power plants[J], Electric Power Systems Research, 2015(124):10-17.



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