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工业风机控制器低穿测试


应用背景

据统计,在2011年,我国发生规模超过10万千瓦的风电机组脱网事故193次,超过50万千瓦的大型事故12次,给电网安全稳定运行和可靠供电带来很大风险,而部分并网运行的风电机组不具备低电压穿越能力是造成事故的主要原因之一。因此,对风力发电的运行提出低电压穿越的要求,是电力系统功率平衡与频率稳定的需要,也是局部电网电压稳定及电压恢复的需要。


低电压穿越(Low Voltage Ride Through, LVRT)是指在风力发电机并网点电压跌落的时候,风机能够保持并网,甚至向电网提供一定的无功功率,支持电网恢复,直到电网恢复正常,从而“穿越”这个低电压时间(区域)LVRT是对并网风机在电网出现电压跌落时仍保持并网的一种特定的运行功能要求,不同国家(和地区)所提出的LVRT要求不尽相同。我国制定了NB/T 31051-2014 《风电机组低电压穿越能力测试规程》 和 NB/T 31053-2014 《风电机组低电压穿越建模及验证方法》 两个标准来指导风电机组的低电压穿越测试。其中《风电机组低电压穿越能力测试规程》规定了如下的测试要求规格

 



对于表1中各种电压跌落规格,当风力发电机组有功功率输出分别在大功率输出和小功率输出范围内时,风力发电机组连续通过两次满足评价指标要求的负载测试时,可判定风力发电机组在该电压跌落规格下具备低电压穿越能力。


对于大功率电力电子变流器,目前穿越测试通常利用电压跌落发生装置来创造测试条件,目前国内具备开展大功率的低电压穿越试验的试验基地很少;同时,大功率的低电压穿越测试装置价格也不菲。半实物仿真能够在实验室环境下,安全、方便、高效地完成一些标准测试的初步验证,以提高后续标准测试时待测设备的可靠性和通过率,是测试低压穿越的有效解决方案。

 

基于StarSim的解决方案

远宽能源的半实物实时仿真测试系统,利用FPGA来实现任意拓扑、任意工况和1us小步长仿真,这几个特点对于准确仿真整个低电压穿越的过程是非常的重要的,因为在电压穿越过程中可能会出现一些非正常工况,如闭锁PWM脉冲让变流桥工作在不控整流或者高阻状态,这样的工况需要小步长仿真来确保结果的准确度远宽能源双馈风机的实时仿真系统框图如下

 


 

实时仿真器和控制器通过真实的IO信号构成闭环用户可以利用StarSim HIL软件载入自己搭建的风力发电以及电网部分的模型,CPU上运行对仿真步长要求不高的电网部分模型,同时在FPGA上运行需要小步长仿真的风力发电部分模型,并与逆变器DSP控制器通过物理接线闭环运行。

下图为国内某知名的风电逆变器厂家的风机逆变器DSP控制器的半实物仿真测试系统照片,图左边的白色机箱是利用远宽能源StarSim FPGA Solver来实时运行双馈风机模型的实时仿真器,图右边的柜子里是真实风机变流器的DSP控制器。

 

 

应用成果 


知名风电逆变器厂家利用远宽能源的实时仿真系统成功完成了低压穿越的测试仿真,下图是DSP控制器工作在满载1500KW时,双馈风机低电压穿越三相电网电压实验,实验测试的是最有挑战的电压跌落到额定的20%且持续625ms的工况。



  

下图是测试构成中录得的实验过程中的三相定子电流,可以看到DSP控制器在系统短暂过流后很快就将电机定子电流控制在了比较小的数值;然后电压跌落结束后,电流短暂过流后,系统很快又恢复稳定。验证了变流器的DSP控制器应对低电压穿越中最严格的测试工况的能力,同时实时仿真可以在模型中方便地改变网侧的跌落值、持续时间,很容易进行标准中要求的其它工况的实验与验证。



  

利用半实物仿真平台可以任意搭建和载入模型的优势,可以方便地解决在进行低电压穿越测试时风机和低电压穿越测试装置的搭建困难问题,在实物测试之前可以进行充分的试验,有效地提高待测控制器的可靠性。同时,将大功率的实验转为信号级的实验,既能提高实验时人员的安全性,又能够减少实验时会带来的器件损毁,因此基于半实物仿真的低电压穿越测试可以作为配合实物测试的有效试验手段。

 

 

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