NI公司基于FPGA的RIO PXI 板卡能夠提供實(shí)時(shí)的硬件在環(huán)技術(shù)來(lái)測(cè)試15兆瓦的風(fēng)力渦輪機(jī)

風(fēng)力渦輪機(jī)變得越來(lái)越大，而且需要放到更高的地方，這樣才能為轉(zhuǎn)子葉片提供足夠的旋轉(zhuǎn)空間。將這些渦輪機(jī)放到距地面120米（相當(dāng)于美國(guó)足球場(chǎng)的長(zhǎng)度）的高度之前，最好能夠?qū)λ麄兊那闆r進(jìn)行一下測(cè)試。美國(guó)能源部授予克萊姆森大學(xué)修復(fù)研究所（CURI）有史以來(lái)最大的工程項(xiàng)目方案執(zhí)行權(quán)，要建造世界上能夠?qū)︼L(fēng)力渦輪機(jī)組進(jìn)行測(cè)試的最強(qiáng)大的機(jī)械測(cè)試設(shè)備，渦輪機(jī)組的發(fā)電能力可高達(dá)15兆瓦，這個(gè)測(cè)試設(shè)備是當(dāng)前使用的最大的發(fā)電機(jī)組的三倍大小。這個(gè)設(shè)備將協(xié)助美國(guó)能源部完成一個(gè)偉大的目標(biāo)，在2030年之前使用風(fēng)能產(chǎn)生全美國(guó)所需電能（目前每年需25000萬(wàn)億瓦時(shí)的電能）的20%。

美國(guó)能源部發(fā)表聲明會(huì)提供15兆瓦的電網(wǎng)模擬器，安放在杜克能源電網(wǎng)研究創(chuàng)新與發(fā)展（eGRID）中心。有了這個(gè)能提供15兆瓦的電網(wǎng)模擬器，公司研究人員可以測(cè)試任何能源發(fā)電的硬件原型機(jī)的機(jī)械與電氣特性，測(cè)設(shè)規(guī)?？梢赃_(dá)到實(shí)際使用規(guī)模，測(cè)試環(huán)境是可控的和校準(zhǔn)的，在將這些能源發(fā)電機(jī)組并入實(shí)際的電網(wǎng)之前，對(duì)他們的機(jī)械與電氣特性進(jìn)行測(cè)試是非常有必要的。

克萊姆森大學(xué)的研究人員使用國(guó)家儀器公司（NI）的基于FPGA的硬件平臺(tái)，采用LabVIEW軟件和LabVIEW FPGA 模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，創(chuàng)建一個(gè)能夠?qū)崿F(xiàn)硬件在環(huán)（HIL)控制的系統(tǒng)。 FPGA器件的確定性和LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊會(huì)幫助研究人員創(chuàng)建一個(gè)靈活的可靠的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的獲取，通信和控制等功能。

eGTID用于監(jiān)測(cè)大功率故障和反應(yīng)情況的三個(gè)關(guān)鍵部件有：
? 用于模擬電網(wǎng)的功率放大器和反應(yīng)器
? 用于創(chuàng)建逼真模擬反應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（RTDS）
? 完善的控制接口

功率放大器和反應(yīng)器采用了任意波形發(fā)生器、15兆瓦的電感器和電阻，可以被83微妙的更新頻率控制。東元西屋電機(jī)公司設(shè)計(jì)并建造了這個(gè)功率放大器，通過(guò)光纖通信鏈路采用了定制的串行通信協(xié)議對(duì)其實(shí)現(xiàn)控制。

實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器（RTDS）能夠仿真出一個(gè)中等容量大小的電網(wǎng)的真實(shí)運(yùn)行情況。RTDS與功率放大器結(jié)合使用能夠預(yù)置的電壓來(lái)表示一個(gè)電源系統(tǒng)，并且能夠真實(shí)的反映出連接到這個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試器件的影響，能夠提供硬件在環(huán)（HIL）控制能力。這兩個(gè)關(guān)鍵部件模擬和測(cè)試了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的物理系統(tǒng)，包括風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，動(dòng)態(tài)電網(wǎng)和一些控制算法。

控制接口用于管理電網(wǎng)模擬器的各個(gè)方面，它的功能分為以下三類：
? 數(shù)據(jù)采集和記錄
? 通信
? 控制

克萊姆森大學(xué)的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)模擬器的控制部件考慮了很多選擇，NI公司的硬件和軟件的確定性、靈活性和模塊化設(shè)計(jì)使NI成為最佳的選擇?？刂平涌谑腔贜I的PXI擴(kuò)展接口平臺(tái)，采用了NI公司R系列的多功能可重配置I/O接口（RIO）FPGA模塊，GPS同步計(jì)時(shí)卡、NI公司的FlexRIO FPGA模塊和NI公司的CompactRIO系統(tǒng)擴(kuò)展。NI公司的FlexRIO結(jié)構(gòu)式基于賽靈思Virtex 系列FPGA芯片。LabVIEW軟件直觀的編程環(huán)境徹底縮減了整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)時(shí)間。一個(gè)小型的具有FPGA或HDL編程開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)小組，采用LabVIEW軟件和LabVIEW FPGA 模塊就可以快速的創(chuàng)建一個(gè)自定義的系統(tǒng)。

注：克萊姆森大學(xué)修復(fù)研究所的Mark McKinney、Ben Gislason、和 J. Curtiss Fox將這個(gè)工程項(xiàng)目提交給了2014 NI工程影響力競(jìng)賽獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)，并且進(jìn)入到了能源類工程項(xiàng)目組的決賽。

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