基于NI-PXI的分布式发电数模混合仿真系统

摘要：分布式发电(Distributed Generation，简称DG)技术是解决未来能源和环境问题的一个重要方向。这里提出一种分布式发电数模混合仿真系统的设计方案，用于分布式电源(Distributed Energy Resources，简称DERs)并网相关技术的研究。该方案采用NI-PXI为实时数字仿真平台完成分布式电源数字模型部分的实时计算，通过基于双PWM换流器的可控功率源模拟分布式电源的功率输出，作为混合仿真接口实现数字部分和物理部分之间信息交互，从而实现数／模混合实时仿真的目的。此处以双馈风力发电系统为例，验证了该方案的可行性，为研究分布式发电并网运行控制提供了良好、通用且便捷的实验平台。
关键词：分布式发电；数模混合仿真；换流器

1 引言
面对能源危机和环境保护的双重压力，各国都在积极研究新能源DG技术。该技术能很好的提高一次能源利用率，减少废气排放量，但也给传统电网的运行与管理带来新的挑战，DERs的并网运行控制、DERs与电网的交互影响，以及DERs的调度管理是DG技术应用的基本研究课题。
目前，研究上述问题的主要手段还是物理仿真和数字仿真。物理仿真即动模实验，物理意义明确，但受仿真规模和极端工况的限制较大，不能对实际系统运行情况进行充分的仿真研究，并且DERs的多样性也使其物理仿真不易实现；数字仿真即软件仿真，虽不受研究对象规模和结构复杂性的限制，但仿真模型通常都有不同程度的简化，准确性不及物理模型仿真，且无法模拟未知或难于用数学表达式描述的物理现象。近年来，随着计算机技术的发展，结合两者优点的数模混合仿真技术越来越受到重视，并得到一定的推广应用。
这里提出一种DG数模混合仿真系统的实现方案，用于DERs并网相关技术的研究。该方案采用PXI作为实时数字仿真平台，采用基于双PWM换流器的可控功率源作为数模混合仿真接口，通过其与动模实验系统相连实现数模混合仿真。最后，以模拟双馈风电机组(DFIG)的并网控制为例，构建数模混合仿真系统，通过实验验证了所设计方案的可行性。

2 数模混合实时仿真系统
2．1 系统架构
图1为数模混合实时仿真系统的一般结构。对于分布式电源侧的控制研究，可采用硬件在环(Hardware In Loop，简称HIL)实时混合仿真技术，其方案是：数字仿真模型为DG系统模型，物理模型为实际的系统控制和保护装置，混合仿真接口完成二者的信号匹配，实现混合实时仿真下的控制保护策略等方面的研究。对于DERs与电网交互影响方面的研究，根据不同研究内容，采用不同的混合仿真方案，当关注电源侧暂态行为时，通常构建电网的数字模型，电源为物理模型；反之，当关注电网侧的动态行为时，则电网为物理模型，电源为数字模型。无论采用上述哪种混合仿真方案，由于数字模型和物理模型分别为信号系统和能量系统，需通过数模混合仿真接口实现数字信号系统到物理能量系统的信息映射，此时需要高性能的功率放大设备。

这里针对DERs并网协调控制与能量管理研究这一课题背景，提出一种基于NI-PXI平台的数模混合仿真系统实现方案。其中，数字仿真部分为DERs模型，如光伏发电系统或风力发电系统等；物理部分为模拟电网，在动模实验室中搭建，包含动模发电机组、线路及负荷等。采用可控功率源作为混合仿真接口．实时将DERs数字仿真模型的输出功率馈入物理仿真平台。[p]
2．2 基于NI-PXI的实时数字仿真平台
PXI作为面向仪器系统的PCI扩展，是一种总线技术，同时也是基于PC技术的模块化I／O标准。此处采用M PXI-8110嵌入式控制器作为PXI数字仿真平台的实时硬件目标终端，并利用支持PXI的软件开发环境NI VeriStand配置创建实时测试系统，其应用架构如图2所示。

在第3方建模环境，如Matlab／Simulink中建立DERs的数字仿真模型，编译生成模型动态链接库，通过主机上VeriStand系统资源管理器将生成的动态链接库部署到PXI VeriStand实时引擎，并通过主机VeriStand工作区观察实时仿真运行状态。PXI VeriStand实时引擎与主机VeriStand工作区和激励配置文件编辑器进行即时通信，获取模型外部参数，如风速、光照、功率调节指令等，从而使实时仿真能够模拟外部条件的变化。
2．3 风电并网实时仿真实验系统的实现
图3为以风电并网为例构建的数模混合仿真实验系统。如图所示，PXI平台运行DFIG及并网控制实时数字模型，接收人机界面给定的风速信号，实时计算DFIG的输出功率，并通过多功能I／O模块NI PXI-7851R的模拟输出端口，将输出功率给定信号接入可控功率源PWM控制器的模拟输入端口，从而实现有功无功指令的给定。另外，通过采集并网点电压将电网的响应反馈至风电机组的数字模型。

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3 DFIG数字仿真模型
DFIG定子侧直接与电网连接，转子侧通过双PWM换流器与电网连接，换流器调节转子绕组电压，实现与电网交换转差功率，使风电机组获得变速运行能力。在Matlab／Simulink中搭建DFIG并网控制仿真模型，如图4所示，包括风力机、轴系、DFIG、换流器及其控制模型等。

转子侧换流器控制采用定子电压定向矢量控制技术调节转子电压的幅值和频率，实现定子侧有功功率和无功功率的解耦控制，网侧换流器控制则采用电网电压定向矢量控制保持直流侧电压稳定。桨距角控制用于DFIG的转速和功率限制，当发电机转速高于最大转速或系统输出功率超过额定功率时，桨距角控制系统调节风机桨距角β以限制风机捕获风能，实现转速或功率限制。

4 基于双PWM换流器可控功率源控制
三相电压型PWM换流器控制方法分为直接电流控制和间接电流控制，其中间接电流控制的结构简单。此处采用基于电压矢量幅相控制的间接电流控制，控制策略为：整流侧PWM控制维持直流母线电压恒定和单位功率因数运行，逆变侧PWM控制调节逆变电压矢量的相位和幅值以跟踪有功和无功功率指令，控制原理如图5所示。

5 实验结果
建立图3所示的数模混合仿真实验系统。可控功率源额定参数为：Pn=30 kW；Uo=380 V；整流侧电感LR=1．68mH；逆变侧LI=2．26mH。 DFIG主要参数：定子电阻Rs=0．023pu，定子漏感Ls=0．18pu，转子电阻Rr=0．016pu，转子漏感Lr=0．16pu，激磁电感Lm=2．9pu，机组转动惯量H=4．32 s。图6为DFIG混合实时仿真实验结果。[p]
图6a为通过VeriStand工作区输入到PXI数字模型的风速曲线，风速变化范围约为5～15 m·s-1。图6b为Matlab离线仿真和PXI实时仿真时，在相同的风速激励下，DFIG数字仿真模型离线运行和数模混合模型实时运行有功功率和无功功率输出曲线。由图可见，在这里采用的控制策略下，实现了有功功率和无功功率的解耦控制，且有功功率按照风电机组功率输出特性随风速变化。经对比，PXI实时仿真平台能实现反映DERs功率输出特性的实时数字仿真，仿真准确程度将取决于在第3方建模工具中所建模型的准确程度。

图6c为PXI实时仿真模型输出的功率指令与可控功率源实际输出功率的对比曲线。通过对比可见，可控功率源的输出功率可快速跟随功率指令的变化，准确反映了DFIG在风速变化条件下的功率变化特性。
图6d为DFIG实时仿真过程中某时段电机转速变化曲线和转子电流变化波形。随着风速增加，DFIG转速增加，转子电流在控制器的调节作用下以转差频率向DFIG提供转差功率，电机从次同步运行状态过渡到超同步运行状态。

6 结论
针对分布式电源并网控制技术研究的实验平台，提出一种数模混合实时仿真系统设计方案，采用PXI作为数字实时仿真平台，基于双PWM换流器的可控功率源作为仿真系统数字部分和物理部分的功率接口。通过构建一个双馈风电机组并网混合仿真实验系统，验证了方案的可行性。