NI公司基于FPGA的RIO PXI 板卡能够提供实时的硬件在环技术来测试15兆瓦的风力涡轮机

作者：Dave Wilson，学术营销总监，国家仪器公司（NI）

风力涡轮机变得越来越大，而且需要放到更高的地方，这样才能为转子叶片提供足够的旋转空间。将这些涡轮机放到距地面120米（相当于美国足球场的长度）的高度之前，最好能够对他们的情况进行一下测试。美国能源部授予克莱姆森大学修复研究所（CURI）有 史以来最大的工程项目方案执行权，要建造世界上能够对风力涡轮机组进行测试的最强大的机械测试设备，涡轮机组的发电能力可高达15兆瓦，这个测试设备是当 前使用的最大的发电机组的三倍大小。这个设备将协助美国能源部完成一个伟大的目标，在2030年之前使用风能产生全美国所需电能（目前每年需25000万 亿瓦时的电能）的20%。

美国能源部发表声明会提供15兆瓦的电网模拟器，安放在杜克能源电网研究创新与发展（eGRID）中心。有了这个能提供15兆瓦的电网模拟器，公司 研究人员可以测试任何能源发电的硬件原型机的机械与电气特性，测设规模可以达到实际使用规模，测试环境是可控的和校准的，在将这些能源发电机组并入实际的 电网之前，对他们的机械与电气特性进行测试是非常有必要的。

克莱姆森大学的研究人员使用国家仪器公司（NI）的基于FPGA的硬件平台，采用LabVIEW软件和LabVIEW FPGA 模块进行系统设计，创建一个能够实现硬件在环（HIL)控制的系统。 FPGA器件的确定性和LabVIEW 实时模块会帮助研究人员创建一个灵活的可靠的系统，实现对数据的获取，通信和控制等功能。

eGTID用于监测大功率故障和反应情况的三个关键部件有：
• 用于模拟电网的功率放大器和反应器
• 用于创建逼真模拟反应的实时数字仿真器（RTDS）
• 完善的控制接口

功率放大器和反应器采用了任意波形发生器、15兆瓦的电感器和电阻，可以被83微妙的更新频率控制。东元西屋电机公司设计并建造了这个功率放大器，通过光纤通信链路采用了定制的串行通信协议对其实现控制。

实时数字仿真器（RTDS）能够仿真出一个中等容量大小的电网的真实运行情况。RTDS与功率放大器结合使用能够预置的电压来表示一个电源系统，并 且能够真实的反映出连接到这个系统的测试器件的影响，能够提供硬件在环（HIL）控制能力。这两个关键部件模拟和测试了整个网络的物理系统，包括风力发电 机组，动态电网和一些控制算法。

控制接口用于管理电网模拟器的各个方面，它的功能分为以下三类：
• 数据采集和记录
• 通信
• 控制

克莱姆森大学的开发团队为实现电网模拟器的控制部件考虑了很多选择，NI公司的硬件和软件的确定性、灵活性和模块化设计使NI成为最佳的选择。控制 接口是基于NI的PXI扩展接口平台，采用了NI公司R系列的多功能可重配置I/O接口（RIO）FPGA模块，GPS同步计时卡、NI公司的 FlexRIO FPGA模块和NI公司的CompactRIO系统扩展。NI公司的FlexRIO结构式基于赛灵思Virtex 系列FPGA芯片。LabVIEW软件直观的编程环境彻底缩减了整个系统的开发时间。一个小型的具有FPGA或HDL编程开发经验的开发小组，采用 LabVIEW软件和LabVIEW FPGA 模块就可以快速的创建一个自定义的系统。

注：克莱姆森大学修复研究所的Mark McKinney、Ben Gislason、和 J. Curtiss Fox将这个工程项目提交给了2014 NI工程影响力竞赛奖励大会，并且进入到了能源类工程项目组的决赛。