世界上最大的风力涡轮机测试设施旨在解决更多风力发电的压力

美国能源部预计，到2030年，风力发电将满足美国电力需求的20%(目前为4.2%)，这需要改进用于开发和测试风力涡轮机及其与电网相互作用的技术。利用NI集成的硬件和软件工具，克莱姆森大学于2013年11月推出了世界上最大的15兆瓦风力涡轮机传动系统测试设备，以帮助设计和测试能源市场的新技术。该设施已经扩大到包括一个网格模拟实验室，以便制造商可以在受控环境中测试风力涡轮机的机械和电气特性。有了这个先进的测试中心，公司可以测试任何公用事业规模的分布式能源，最高可达15兆瓦，同时检查设备的可靠性和稳健性，然后再将其部署到实际电网中。这种方法被称为电源硬件在环(HIL)测试，可以准确地模拟电网和被测设备在全功率运行时的动态行为和相互作用。然而，由于电网是模拟的，因此设备的响应可以在一系列模拟测试条件下进行验证，而使用实际电网是不可能产生的，国家仪器公司解释说。

Cyber-physical系统

根据NI的说法，将风力发电成功地整合到现有的电网中是一项复杂的挑战，它依赖于分布式的、相互连接的网络物理系统(CPS)，这在工程行业中正在激增。在2014 NI趋势观察， NI提供了更多关于“网络物理系统——通过分布式计算和物理组件的耦合，开发与环境持续动态交互的系统。”

该文件给出了当今系统测试复杂性的一个例子，部分解释说，“现代工程系统很少设计一次，很少单独设计，很少完成。汽车的制动机制是从马车上的机械杠杆制动器演变而来的，很快就有了液压系统的增强，以提高制动功率和稳定性。随着动力辅助刹车的出现，电子元件也被引入。防抱死制动最初是一种机械反馈控制系统，用于防止飞机车轮锁死，最终转移到汽车上。”

NI认为，利用整体开发解决方案和商用现成硬件的基于平台的设计方法可以帮助工程师实现更好的CPS设计，加快设计迭代，并测试复杂的系统交互。NI提供LabVIEW可重构I/O (RIO)架构，该架构针对网络物理系统设计人员的需求进行了优化。

CPS问题、答案

CFE媒体(控制工程和设备工程)向NI负责清洁能源的首席产品经理布莱恩·麦克克莱里(Brian MacCleery)询问该设施。

问:你能给我们介绍一下这个设施吗?

一个。多年来，我一直与杜克能源电网研究、创新与发展(eGRID)中心合作，研究15兆瓦(20,000马力)电网模拟器的逆变器控制和高速微电网仿真技术。该设施的规模令人难以置信——在最近一次参观该设施时，我就像一个走进糖果店的孩子。网络物理系统测试设施是真正独特的，因为它涵盖了风力涡轮机发电机的各个方面，包括与电网的相互作用。这包括风力涡轮机轴的机械扭转以及控制软件、发电机、齿轮箱、电力电子转换器和电网之间复杂的机电相互作用。由于美国能源部的计划是到2030年将美国的风力发电量从目前的4%左右扩大到20%，因此对这种科学的、可重复的测试有着强烈的需求。齿轮箱的使用寿命需要从目前的7-10年延长到20年。同时，根据美国能源部的数据，电气系统故障的频率是变速箱故障的五倍。风力涡轮机的机械、电气和控制软件方面都对机器的使用寿命有影响，因此产生的能源成本也有影响。新设施将使该行业能够科学地研究所有这些复杂的多领域相互作用，以确定因果关系。

问:测试设备的总成本是多少?

一个。动力传动系统是9800万美元，网格模拟器又花了1200万美元，使整个建筑的总成本达到1.1亿美元。

问:有没有测试导致了设计上的改变?

一个。尚未实际运行任何测试，因此此时没有设计更改要共享。他们仍在进行调试工作，并将在未来几个月开始测试。不幸的是，基于保密和竞争原因，我们将无法在短期内分享有关设计更改的细节。

问:总的来说，该设施的预期影响是什么?

一个。克莱姆森大学表示，当将动力传动系统测试与电气测试结合起来时，使用该设施的人正在研究如何模拟风力涡轮机机械和电气部分之间的相互作用。这包括1)实时进行全风模型模拟，2)从这些风场模拟中驱动机械测试台，3)实时模拟电网，同时使发电机也可以与系统交互。他们期望这种对风场和电网的实时模拟将使人们有可能看到更高水平的风力涡轮机控制挑战，这些挑战是机械和电气系统中相似时间常数的结果。一个例子可能是与风力涡轮机的螺距控制系统相互作用的电网上的次同步共振。这些都是可以在这个设施中充分探索的发展类型。

问:NI是如何参与的?

一个。TECO西屋电机公司开发的用于模拟电网的15mw功率放大器逆变器采用NI LabVIEW可重构I/O (RIO)嵌入式控制软件和硬件。4160 V模块化多电平功率转换器采用串联的h桥拓扑和相移载波脉宽调制(PWM)，提供12 kHz的放大器带宽和极低的总谐波失真(THD)。这是通过通过串行光纤链路协调69个基于fpga的NI单板RIO控制系统的同步控制来实现的。TECO双向逆变器也可以很容易地重新配置不同的电压和电流额定值。此外，NI LabVIEW软件和PXI仪器设备用于获取机械和电气系统的测量数据，以及记录和分析测试过程中产生的大量数据。

问:网络物理系统(CPS)并不新鲜。这些概念在这里和其他高科技应用中有什么帮助?

一个。最初，它只是一个机械传动系统测试设施。然而，电网仿真被确定为最大的需求之一。有许多复杂的谐波和控制稳定性，跨越机械和电气之间的边界，以及网络和物理。NI正在开发一种新型的实时模拟器，速度足够快，可以准确地模拟网络物理系统的高带宽特性。直到今天，我们才能够达到这种CPS验证和验证所需的模拟速度。它开启了设计更复杂的CPS的可能性，这些CPS已经得到了充分的验证和验证，因此它们可以在现场可靠地运行。

问:以前有模拟器;这有什么不同?

一个。对于内燃机来说，没有一家汽车公司会交付一辆没有经过完全HIL测试的汽车，而对于风力涡轮机和类似的并网设备，500khz到1mhz范围内的模拟带宽还不容易获得。在过去的五年中，NI在研发方面投入了大量资金，开发用于高速电力应用的实时模拟器。因此，我们现在可以演示基于fpga的模拟器如何捕获微电网上电气设备的全频率响应。一个月前，我们发布了NI电机仿真工具包．以一种新型混合动力汽车动力电子控制系统为例，利用这些新工具对其进行了全面验证。

问:在其他控制和监测应用中，其他人可以吸取哪些教训?

一个。新的全功率测试技术可以为复杂的网络物理系统提供严格的测试覆盖。这样的测试能力意味着电网设备可以像汽车和飞机上使用的控制系统一样得到充分的验证。虽然学生们在学校里可能没有被教导这样的HIL测试是嵌入式控制系统设计过程的一部分，但我们正试图将这种正式的设计过程引入电网行业。

- CFE Media内容经理Mark T. Hoske编辑控制工程，mhoske@cfemedia.com．

在线

www.globalelove.com/archives

梅在这个标题下有更多的信息和答案。

www.ni.com

请参阅NI文章:控制世界上最强大的可再生能源测试设施的硬件在环电网模拟器．

网上临时演员

2013年11月22日克莱姆森测试设施的奉献信息．

NI单板RIO的20mw逆变器控制技术演示它模拟了风力发电机的电网连接。

倪提供参考设计和教程视频在

能源部20%风能报告显示(248页PDF中的第76页)电气系统故障发生的频率是变速箱故障的五倍。

请参阅下面关于风力发电的先前文章。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。