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华北电力大学 - 双馈风机电气和机械混合仿真平台


应用背景

双馈风机(DFIG)是目前应用最为广泛的风力发电机,为了更好地进行新能源系统的教学和科研工作,华北电力大学新能源系统实验室希望搭建一个双馈风机系统的实验平台,用户希望此平台能够具有以下特点: 

  • 机电系统混合:双馈风机是一个复杂的机电系统,既有电机、背靠背变流桥等典型的电气部件,也有桨叶、齿轮箱等机械部件。华北电力大学新能源实验室希望平台既能支持电气软件,也能支持一些专业的机械建模软件,如使用MapleSim等软件搭建的机械部分的模型。  

  • 工业总线通信支持:在一些风机系统中,主控、偏航、变桨等控制系统的通信是通过Profibus总线来实现的,因此华北电力大学的老师希望这个实验平台也能支持Profibus等工业通信协议。  

  • 控制算法开放可修改:作为一个科研与教学平台,从未来平台的实用性和可拓展性考虑,需要它的控制算法是开放且易于修改的。 


对于双馈风机这样的强电设备,直接在物理设备上做实验,存在安全性的隐患;同时,诸如故障测试的一些实验直接在设备上实现也存在着很多的不便,而如果使用一个能实时仿真双馈风机系统的平台来进行测试和实验,就不会有这些局限性。

 

基于StarSim的解决方案

上海远宽能源科技有限公司提供的StarSim实时仿真平台,利用最新的FPGA技术,可以实现1微秒步长、任意拓扑、任意工况的电力电子系统实时仿真华北电力大学利用上海远宽的StarSim 仿真平台搭建了双馈风机系统的实验平台,该平台实现了用户的以下全部要求: 

  • 机电系统混合:远宽能源根据最新的仿真建模技术,自主研发的StarSim系列仿真软件,可以在FPGA硬件上实现电力电子系统的实时仿真。同时通过工具包,可以支持各种第三方建模仿真软件。因此,StarSim系列软件工具能够很好地满足客户机电系统混合仿真的需求。  

  • 工业总线通信支持:远宽能源所采用的硬件平台,支持包含Profibus, CAN,1553B等在内的多种工业总线,能够满足工业应用上的各种需求。  

  • 控制算法开放可修改:远宽能源不仅在建模和实时仿真方面有很深的技术积累,同时在实际电力电子系统控制方面也有着丰富的经验。作为国内掌握实时仿真核心技术的公司,远宽能源可以提供开放的控制算法给实验室,方便实验室老师和学生们进一步的研究和学习。

 

该实验系统的架构如下图所示,右边部分是带有FPGA板卡的实时仿真器,通过远宽能源的小步长仿真技术将风机模型下载到仿真器中进行双馈风机系统的实时仿真;左边部分是双馈风机变流器的控制器。


 

 

应用成果

通过应用远宽能源的实时仿真技术,华北电力大学顺利部署了双馈风机的实验平台具体如下图机柜所示,上方的白色机箱是实时仿真器,下部灰色控制器是作为双馈风机变流器控制器,控制器与仿真器通过实际物理连线形式闭环


 

实时仿真器与控制器的I/O板卡通过实际接线进行连接,并且这些接口和双馈风机设备真实的控制器接口完全一致,即控制器从仿真器采集电网电压、电流、编码器信号等;然后经过控制算法的运算,向仿真器发出控制IGBT开通和关断的PWM信号,起到控制双馈风机系统的效果。

 

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