CN103558771A - 风电场仿真测试平台及其测试方法 - Google Patents

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吴树梁
赵磊
张海华
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崔冬明
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Abstract

本发明公开了一种风电场仿真测试平台及其测试方法,平台包括通讯连接的上位机、风电场仿真机和风电场管理系统原型机。上位机用来对整个测试过程进行设定和监控,风电场仿真机用来模拟整个风电场的运行状态,风电场管理系统原型机用来快速实现待测的真实风电场管理系统。测试方法包括建立风电场模型、配置风电场仿真机、配置风电场管理系统原型机、设定测试工况和模型参数、测试过程监控、测试结果处理和分析评估。本发明的有益效果是:能够在实验室实现对风电场管理系统软件和硬件的研发测试,减少系统开发的周期和成本,能够复现包括故障和极端工况在内的现场的工况,减少后期的升级维护成本。

Description

风电场仿真测试平台及其测试方法
技术领域
[0001] 本发明属于风电技术领域,尤其是针对风电场管理系统的风电场仿真测试平台及其测试方法。
背景技术
[0002]目前风力发电被认为是解决当前世界能源、环境和金融危机的主要途径之一,我国风能资源丰富,近些年来风电行业保持着高速发展,2011年以来,我国的新增和累计装机容量一直保持世界首位。由于风能具有间歇性和波动性的特点,大规模风电并网对电网造成的影响较大,其中有功功率波动影响电网的频率,无功功率波动影响电网的电压。受制于我国的电网输送能力和风电场调节能力,近两年来“弃风”现象严重,造成了大量的资源浪费。为了更好的对风电场的出力进行统一管理,提高风电场的利用率,风电场需要安装风电场监控系统、风电场能量管理系统(包含风电场有功控制和无功控制功能)、风电场功率预测系统等。一般系统开发完成后需要对其进行功能性和可靠性测试,但目前尚没有针对风电场管理系统的测试平台,大部分软件进行模型验证后直接安装在真实风电场运行,系统的开发调试成本和运行风险较大。
发明内容
[0003] 为解决以上技术上的不足,本发明提供了一种测试全面,可靠性高的风电场仿真测试平台及其测试方法。
[0004] 本发明是通过以下措施实现的:
本发明的一种风电场仿真测试平台,包括相互通讯连接的上位机、风电场仿真机和风电场管理系统原型机;
所述风电场仿真机中建立风电场系统的数学模型,用于根据上位机下发的控制参数和风电场管理系统原型机下发的调整命令实时仿真出风电场的状态和运行数据;
所述风电场管理系统原型机,根据电网下发的指令和风电场当前的状态,向风电场仿真机发送针对每台风电机组和无功补偿装置的调整命令;
所述上位机用于在测试开始时设定测试工况和风电场数学模型的参数,并下发到风电场仿真机;在测试过程中监控并存储风电场仿真机和风电场管理系统原型机的实时运行数据;在测试结束后对存储的运行数据进行分析处理和性能评估。
[0005] 本发明的风电场仿真测试平台的测试方法,包括以下步骤:
步骤1,以待测风电场系统的相关参数建立风电场系统的数学模型,并配置到风电场仿真机中;
步骤2,以待测风电场管理系统为依据配置相应的风电场管理系统原型机,并通过通讯接口与风电场仿真机连接;
步骤3,风电场管理系统原型机和风电场仿真机通讯连接上位机,在上位机中对所要测试的工况进行设定,对风电场系统的数学模型的参数进行配置,并下发到风电场仿真机; 步骤4,风电场仿真机进行仿真,上位机通过图形界面对风电场仿真机和风电场管理系统原型机进行监控,并且上位机自动记录存储相关的运行数据;
步骤5,测试完成后,上位机对记录的运行数据进行处理和分析,得出待测风电场管理系统的全面性能评估。
[0006] 上述步骤I所述的风电场系统的数学模型综合有风场模型、风电机组模型、集电升压装置模型、无功补偿装置模型和电网模型。
[0007] 上述步骤I所述的风电场系统的数学模型采用等值建模的方法建立,将同样配置同样状态的多个风电机组模型等值为同一机组模型,采用等值的风速来驱动相应的风电机组模型。
[0008] 上述在步骤2、3中,上位机与风电场仿真机之间、上位机与风电场管理系统原型机之间通过TCP/IP协议进行通讯连接,风电场仿真机与风电场管理系统原型机之间的通讯采用ModBus通讯协议连接。
[0009] 本发明的有益效果是:能够真实的模拟风电场的运行工况、机组状态和通讯接口,能够在实验室实现对风电场管理系统软件和硬件的研发测试,减少系统开发的周期和成本,能够复现包括故障和极端工况在内的现场的工况,减少后期的升级维护成本,风电场建模时采用等值建模和状态分类的方法,提高了运算速度,减少了硬件成本。
附图说明
[0010] 图1为本发明的机构框图。
[0011] 图2为风电场系统数学模型组成框图。
具体实施方式
[0012] 为了对风电场管理系统进行研发测试,完善其开发流程和测试评估体系,本发明提供一种风电场仿真测试平台及其测试方法,平台包括相互通讯连接的上位机、风电场仿真机和风电场管理系统原型机。上位机用来对整个测试过程进行设定和监控,风电场仿真机用来模拟整个风电场的运行状态,风电场管理系统原型机用来快速实现待测的真实风电场管理系统,风电场仿真机和风电场管理系统原型机采用硬件在环的方式连接,可以根据待测系统的特点灵活的配置和扩展。该风电场仿真测试平台和测试方法,能够实现对风电场管理系统的全面测试和综合评估。
[0013] 如图1所示,本发明的一种风电场仿真测试平台,包括依次通讯连接的上位机、风电场仿真机和风电场管理系统原型机。上位机与风电场仿真机之间、上位机与风电场管理系统原型机之间采用TCP/IP协议进行通讯,风电场仿真机与风电场管理系统原型机之间的通讯采用与真实系统相同的ModBus通讯协议,同时预留多种通讯接口,可以兼容多种主流通讯协议。
[0014] 风电场管理系统是对所有风电场管理软件和硬件的统称,风电场管理系统原型机包括风电场监控系统、能量管理系统、风功率预测系统和上级通讯系统等,用于根据风电场的运行状态和上级电网的指令对风电场中的每台机组进行监控,各个子系统之间通过TCP/IP协议通讯,其主要功能包括:监控整个风电场内的机组、接收电网的调度指令,计算每台机组的有功和无功功率分配值并下发,将风电场的信息上传到上一级调度,根据气象信息和风电场的状态预测短期和长期功率并上传等。原型机可以灵活的配置和扩展软件硬件,以实现对当前大多数风电场控制系统的快速实现,原型机也可以全部或者部分采用真实的风电场管理系统。目前风电场管理系统与风电机组之间一般采用ModBus方式进行通讯,因此在该平台上仿真机与风电场管理系统之间也通过ModBus进行通讯,但仿真机上预留其他通讯方式的接口,可以兼容其他主流的通讯协议。
[0015] 风电场仿真机主要用于对风电场进行模拟仿真,可以采用高速计算机、工业控制器、PLC或者专用的仿真器,仿真机中配置以待测风电场系统的相关参数建立的风电场的实时仿真数学模型。如图2所示,风电场系统的数学模型综合有风场模型、风电机组模型、集电升压装置模型、无功补偿装置模型和电网模型。风电场系统的数学模型采用等值建模的方法建立,将同样配置同样状态的多个风电机组模型等值为同一机组模型,并采用等值的风速来驱动相应的风电机组模型。可以采用一台多核高性能仿真机或者多台仿真机分别对在各个状态下的风电机组模型进行仿真。
[0016] 上位机中用于在测试开始时设定测试工况和风电场系统数学模型的控制参数,并下发到风电场仿真机;在测试过程中监控并存储风电场仿真机和风电场管理系统原型机的实时运行数据;在测试结束后对存储的运行数据进行分析处理和性能评估。上位机设定的工况包括实际风电场运行中可能遇到的各类工况,包含正常、故障和极端工况,同时能够通过批处理的方式设定一系列能自动运行的工况流程文件;上位机中设定的模型参数包含风电场建模所需要的大部分参数,包括风场模型的参数、风电机组模型参数、集电升压系统模型参数、无功补偿装置模型参数、电网模型的参数等。上位机中的分析软件具备一定的数据处理和判断能力,能够对测试结果进行后处理,并基于预设的限值做出简单判断。
[0017] 本发明的风电场仿真测试平台的测试方法,包括以下步骤:
步骤1,以待测风电场系统的相关参数建立风电场系统的数学模型,并配置到风电场仿真机中;风电场系统的数学模型综合有风场模型、风电机组模型、集电升压装置模型、无功补偿装置模型和电网模型。风电场系统的数学模型采用等值建模的方法建立,将同样配置同样状态的多个风电机组模型等值为同一机组模型,并采用等值的风速来驱动相应的风电机组模型。
[0018] 步骤2,以待测风电场管理系统为依据配置相应的风电场管理系统原型机,并通过通讯接口与风电场仿真机连接;
步骤3,风电场管理系统原型机和风电场仿真机通讯连接上位机,在上位机中对所要测试的工况进行设定,对风电场系统的数学模型的参数进行配置,并下发到风电场仿真机;步骤4,风电场仿真机进行仿真,上位机通过图形界面对风电场仿真机和风电场管理系统原型机进行监控,并且上位机自动记录存储相关的运行数据;
步骤5,测试完成后,上位机对记录的运行数据进行处理和分析,得出待测风电场管理系统的全面性能评估。
[0019] 风电场系统数学模型综合了风场模型、风电机组模型、集电升压装置模型、无功补偿装置模型、电网模型等,风场模型包含整个风场的风速风向数据,并包含尾流效应的影响;集电升压装置模型包含连接线缆、电力开关、变压器等;电网模型包括电网特性、风电场接入点特性等;风电机组模包含空气动力学单元、传动单元、能量转换单元、动力学单元、控制单元等。[0020] 对风电场建模时需要考虑风电机组模型的差异性,这种差异性体现在机组的配置和机组的运行状态上。大型风电场可能由几十台到几百台风电机组组成,对每台机组详细建模的仿真方法成本巨大。为了简化计算,采用等值建模的方法对风电场进行建模,即将同样配置同样状态的机组等值为一台机组,采用等值的风速来驱动相应的机组。风电机组的状态主要包括:停机、临界状态,降功率状态、高风速状态、低风速状态。停机状态不进行仿真,按照状态将机组分为四类,可以采用一台多核仿真机或者几台单核仿真机来对所有的机组进行仿真。
[0021] 第一类:临界状态。临界机组达到临界安全运行范围需要退出运行,发
电机温度过高或机组振动超出安全范围等。在运行维护状况良好的风电场,该类机组数量相对较少。
[0022] 第二类:降功率状态。该类型机组温度或振动较严重,但尚未超出极限状态。此时为保证机组安全、可靠运行,需降低机组有功出力,维持机组处于正常运行状态。由此该类机组可降低输出功率,以满足自身运行要求。
[0023] 第三类:低风速状态。该类风电机组运行在功率因数恒定区或转速恒定区,这类风电机组可以通过控制电磁转矩降低风机转速,减小风机吸收的风能。相比于第四类风电机组,该类机组具有动作快,惯性时间常数小的特点,可以快速响应系统要求。
[0024] 第四类:高风速状态。该类型机组处于额定风速之上,运行于恒功率区,输出额定功率。需通过桨距角的机械控制实现功率调节,因此其惯性时间常数较大,多在0.1s以上。
[0025] 风电场仿真测试台工作原理如下,测试开始时,上位机中设定整个测试的工况和仿真机中的风电场模型参数,风电场仿真机根据上位机下发的参数配置风场、风电机组、电网模型等的参数,测试开始后,风电场管理系统实时的读取整个风电场的状态信心和运行数据,同时根据上级电网的调度指令和当前风电场的运行状态计算出每台机组的有功无功指令,并下发给风电场的每台机组,风电场仿真机中的机组模型会按照风电场管理系统下发的控制指令执行启动、停止、降功率、复位等操作,并仿真计算出新一周期的状态数据,完成实时闭环运行。上位机实时记录整个测试过程中风电场仿真机和风电场管理系统的运行数据,并显示到图形界面,上位机中的分析软件可以对测试结果进行分析处理,对风电场管理系统的性能做出评价。
[0026] 以上所述仅是本专利的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本专利技术原理的前提下,还可以做出若干改进和替换,这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。

Claims (7)

1.一种风电场仿真测试平台,其特征在于:包括相互通讯连接的上位机、风电场仿真机和风电场管理系统原型机; 所述风电场仿真机中建立风电场系统的数学模型,用于根据上位机下发的控制参数和风电场管理系统原型机下发的调整命令实时仿真出风电场的状态和运行数据; 所述风电场管理系统原型机,根据电网下发的指令和风电场当前的状态,向风电场仿真机发送针对每台风电机组和无功补偿装置的调整命令; 所述上位机用于在测试开始时设定测试工况和风电场系统数学模型的控制参数,并下发到风电场仿真机;在测试过程中监控并存储风电场仿真机和风电场管理系统原型机的实时运行数据;在测试结束后对存储的运行数据进行分析处理和性能评估。
2.一种根据权利要求1所述的风电场仿真测试平台的测试方法,其特征在于,包括以下步骤: 步骤1,以待测风电场系统的相关参数建立风电场系统的数学模型,并配置到风电场仿真机中; 步骤2,以待测风电场管理系统为依据配置相应的风电场管理系统原型机,并通过通讯接口与风电场仿真机连接; 步骤3,风电场管理系统原型机和风电场仿真机通讯连接上位机,在上位机中对所要测试的工况进行设定,对风电场系统的数学模型的参数进行配置,并下发到风电场仿真机; 步骤4,风电场仿真机进行仿真,上位机通过图形界面对风电场仿真机和风电场管理系统原型机进行监控,并且上位机自动记录存储相关的运行数据; 步骤5,测试完成后,上位机对记录的运行数据进行处理和分析,得出待测风电场管理系统的全面性能评估。
3.根据权利要求2所述的风电场仿真测试平台的测试方法,其特征在于:步骤I所述的风电场系统的数学模型综合有风场模型、风电机组模型、集电升压装置模型、无功补偿装置模型和电网模型。
4.根据权利要求2所述的风电场仿真测试平台的测试方法,其特征在于:步骤I所述的风电场系统的数学模型采用等值建模的方法建立,将同样配置同样状态的多个风电机组等值为同一机组模型,并采用等值的风速来驱动相应的风电机组模型。
5.根据权利要求2所述的风电场仿真测试平台的测试方法,其特征在于:在步骤I中,为了保证仿真测试的实时性,在风电场仿真机中运行的仿真模型应为实时代码。
6.可以直接采用实时性较高的语言编写模型,也可以采用专业的仿真软件编写模型,通过代码转换的方式,将模型转换为能够在仿真机中运行的实时代码。
7.根据权利要求2所述的风电场仿真测试平台的测试方法,其特征在于:在步骤2、3中,上位机与风电场仿真机之间、上位机与风电场管理系统原型机之间通过TCP/IP协议进行通讯连接,风电场仿真机与风电场管理系统原型机之间的通讯采用ModBus通讯协议连接。
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