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清华大学 - 微网系统功率硬件在环仿真


应用背景

随着用电负荷的不断增加,受端电网对外来电力的依赖程度不断提高,超大规模电力系统渐渐难以适应用户越来越高的可靠性要求以及多样化的供电需求。针对这一系列问题与挑战,微电网的概念在本世纪初被提出。作为新的技术领域,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)实验室往往具有以下缺点: 

  • 不便于更改电网的拓扑
  • 短路等故障试验比较危险 


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,能结合真实物理装置和实时仿真器各自的优点,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的理想解决方案。

 

基于StarSim的解决方案

上海远宽能源科技有限公司提供的StarSim电力系统实时仿真器,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清华大学选择了远宽能源提供的电力系统实时仿真器来进行这个研究,具体搭建功率硬件在环系统包含下图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



 

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。 

1——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 

2——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。 

3——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。

 

应用成果

清华大学成功利用此平台进行相关研究后,把成果总结并在英文期刊中发表了如下文章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. 


该功率硬件在环仿真系统的照片如下,中间的白色机箱是实时仿真器,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。



 

下面是实验的结果波形:



 

上图的波形是风电机组有功输出变化对微网系统频率影响实验结果,可以看到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。

 



上图的波形是微网不对称故障对风电机组的影响实验结果,在结果中可以看到有一相电压幅值已低于其他两相电压。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。

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