CN105549420A - 直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，包括：测试工作站建立永磁同步发电机及其变流器的仿真电路模型，并发送至RTDS仿真系统，RTDS仿真系统并进行并行仿真计算；RTDS仿真系统将仿真计算得到的各侧电流电压信息、所需的断路器和/或接触器的位置信息输出到待测试变流控制装置；待测试变流控制装置根据所述各侧电流电压信息、以及所述断路器和/或接触器的位置信息进行测试，并返回变流器控制脉冲信号至所述RTDS仿真系统；所述RTDS仿真系统根据返回的变流器控制脉冲信号实时改变仿真电路模型的拓扑结构并进行新网络的仿真计算。本发明可以实现闭环测试。

Description

直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法

技术领域

本发明涉及测试及计量技术领域，尤其涉及一种直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法。

背景技术

风电场规模和风力发电机单机容量不断提高，风电渗透功率随之不断提升。自然风的随机性和间歇性对电网安全可靠运行的影响日益显现；同时，风电机组并网运行改变了原有系统结构和潮流分布，对继电保护等电力二次设备性能提出了更高的要求。比如，风电机组短路特性与常规能源机组的差别较大，在故障发生时，使得故障电流大小及流向发生改变。因此，如何真实再现风电机组发电并网的动态特性，模拟低电压穿越等特殊现象，检验并改善风电机组动态特性以满足系统安全可靠运行的需要，显得尤为迫切、十分必要。

国内外针对风电机组并网发电的研究主要是基于动模和仿真软件进行。MATLAB/Simulink、PSCAD/EMTDC等仿真工具提供了丰富的模型库，用户可以方便地进行模型搭建。然而，离线仿真软件存在共有的缺陷：一是计算速度慢，不能满足实时计算的要求；二是不具备与实际装置交互的能力，无法开展电力自动化设备的闭环测试研究。目前国内风机变流器测试主要是通过动模实现，存在的缺点主要有：1)国内用于风机测试的动模系统主要针对双馈式风机进行搭建，而一般双馈式风机仅为1.5MW，故该系统无法满足5MW级直驱风机变流器的测试需要；2)动模系统一旦建立，很难根据实验需要的变化进行调整，无法适应模拟系统各种特殊工况的需要；3)动模系统建设和维护成本过高，导致实验成本高、实验周期长。

实时数字仿真仪(RealTimeDigitalSimulator，RTDS)依托其强大的硬件和软件设计，克服了上述仿真测试手段的缺点，在继电保护装置闭环测试、控制系统闭环测试、大规模交直流电力系统动态行为仿真和分析等领域广泛应用。RSCAD是电图形用户界面软件包，目前利用RTDS/RSCAD进行风力发电的仿真研究主要是针对风电机组变流器及控制系统进行建模，以及在部分运行工况下搭建算例模型，尚未形成完备的风力发电系统的仿真测试研究平台，因而无法评估低电压穿越等特殊工况对电网运行的影响，也不具备电力设备的闭环测试研究的条件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，通过接入待测试变流控制装置，形成闭环测试条件，可以模拟低电压穿越、并网电能恶化等现象，进行实时仿真研究。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，包括：

测试工作站建立永磁同步发电机及其变流器的仿真电路模型；

测试工作站将所述仿真电路模型发送至RTDS仿真系统，并进行并行仿真计算；

RTDS仿真系统将仿真计算得到的各侧电流电压信息输出到待测试变流控制装置；

RTDS仿真系统将测试所需的断路器和/或接触器的位置信息输出到待测试变流控制装置；

待测试变流控制装置根据所述各侧电流电压信息、以及所述断路器和/或接触器的位置信息进行测试，并返回变流器控制脉冲信号至所述RTDS仿真系统；

所述RTDS仿真系统根据返回的变流器控制脉冲信号实时改变仿真电路模型的拓扑结构并进行新网络的仿真计算。

进一步的，所述测试工作站建立永磁同步发电机及其变流器的仿真电路模型，具体包括：

测试工作站采用仿真软件RSCAD建立永磁同步发电机及其变流器的仿真电路模型，其中，仿真步长为2.5us，仿真电路模型通过接口变压器与电网系统的常规步长模型进行连接，实现信息交互。

进一步的，所述RTDS仿真系统将仿真计算得到的各侧电流电压信息输出到待测试变流控制装置，具体包括：

RTDS仿真系统将仿真计算得到的各侧电流电压信息通过模拟量/数字量输出板卡输出到待测试变流控制装置，其中，所述各侧电流电压信息包括机侧模块电流、机侧模块电压、网侧电压、直流电压、网侧模块电压、转子角度、有功给定和无功给定。

进一步的，所述网侧电压和网侧模块电流是通过功率放大器放大后的电压和电流。

进一步的，所述RTDS仿真系统将测试所需的断路器和/或接触器的位置信息输出到待测试变流控制装置，具体包括：

RTDS仿真系统将测试所需的断路器和/或接触器的位置信息通过模拟量/数字量输出板卡输出到待测试变流控制装置。

进一步的，所述待测试变流控制装置根据所述各侧电流电压信息、以及所述断路器和/或接触器的位置信息进行测试，具体包括：

所述待测试变流控制装置根据所述各侧电流电压信息、以及所述断路器和/或接触器的位置信息进行低电压穿越测试、并网适应性测试和电网适应性能力测试，其中

所述低电压穿越测试具体包括：通过限流电控和短路电抗的分压，模拟并网点的电压跌落过程；

所述并网适应性测试项目主要包括：1.1倍过载能力测试，功率因数调节能力测试，功率加载、降载阶跃响应能力测试；

所述电网适应性能力测试项目主要包括：电网电压适应性能力测试，频率适应性能力测试和电压不平衡测试。

进一步的，所述返回变流器控制脉冲信号至所述RTDS仿真系统，具体包括：

将变流器控制脉冲信号经过光/电转换板转换成电信号，并从数字输入接口(GTDI)卡返回至所述RTDS系统。

进一步的，所述GTDI卡的64个通道被分拆成两组，并隔离两组之间的电气连接，分别采用+5/24V外接电源进行供电，并分别接入晶闸管脉冲信号和断路器控制信号。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、通过接入待测试变流控制装置，形成闭环测试条件，可以模拟低电压穿越、并网电能恶化等现象，进行实时仿真研究；

2、通过对变流控制器的小步长建模，精确模拟了IGBT晶闸管的高速开断过程，显著提高了仿真精度；

3、自定义了接口变压器模型，同时实现了大-小步长系统的信息交互和升压并网的功能，既节省了处理器资源，又保证了仿真精度；

4、通过设置短路故障的方式模拟低电压穿越现象，解决了通过动模系统进行变流器测试灵活性不足、试验成本高昂的问题；

5、根据实验可知，进行低穿实验时，限流阻抗与短路阻抗值与变流器容量有直接联系，本发明通过反复实验确定了二者之间的关联性，为不同容量的风机控制器测试提供了仿真参数的整定依据；

6、本发明解决了GTDI卡与风电控制器输出电平电压不匹配的问题，建立了实时数字仿真试验平台并在此基础上开展了对三电平直驱风电控制器的闭环测试。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法的数据流向示意图；

图3是GTDI卡的内部电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明实施例提供的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法的流程示意图，如图1所示，本发明实施例包括：

S101、测试工作站建立永磁同步发电机及其变流器的仿真电路模型。

其中，S101具体包括步骤：测试工作站采用仿真软件RSCAD建立永磁同步发电机及其变流器的仿真电路模型，如图2所示，其中，仿真步长为2.5us，仿真电路模型通过接口变压器与电网系统的常规步长模型进行连接，实现信息交互。图2中，PMSM为permanentmagnetsynchronousmotor，即永磁同步电机。

其中，由于三电平变流器采用IGBT管，开断频率达到数十KHz，常规仿真频率无法满足要求，因此本发明实施例采用一种2.5us仿真步长的小步长仿真模式，

S102、测试工作站将所述仿真电路模型发送至RTDS仿真系统，并进行并行仿真计算。

其中，测试工作站和RTDS仿真系统是通过以太网连接传输数据。

S103、RTDS仿真系统将仿真计算得到的各侧电流电压信息输出到待测试变流控制装置。

具体的，所述S103具体包括步骤：

RTDS仿真系统将仿真计算得到的各侧电流电压信息通过模拟量/数字量输出板卡输出到待测试变流控制装置，其中，所述各侧电流电压信息包括机侧模块电流、机侧模块电压、网侧电压、直流电压、网侧模块电压、转子角度、有功给定和无功给定。所述网侧电压和网侧模块电流是通过功率放大器放大后的电压和电流。

S104、RTDS仿真系统将测试所需的断路器和/或接触器的位置信息输出到待测试变流控制装置。

具体的，步骤S104包括：RTDS仿真系统将测试所需的断路器和/或接触器的位置信息通过模拟量/数字量输出板卡输出到待测试变流控制装置。

S105、待测试变流控制装置根据所述各侧电流电压信息、以及所述断路器和/或接触器的位置信息进行测试，并返回变流器控制脉冲信号至所述RTDS仿真系统。

具体的，测试包括低电压穿越测试、并网适应性测试和电网适应性能力测试。

其中，所述低电压穿越测试具体包括：通过限流电控和短路电抗的分压，模拟并网点的电压跌落过程。本发明实施例分别模拟了20％、35％、50％、75％和90％跌落比、对称/不对称短路、满载/空载发电等20种跌落工况。具体参数如下表所示：

表1不同跌落工况对比表

序号	跌落电压值百分比	限流电抗Lx(H)	短路电抗Lshort(H)	跌落时间(S)
					1	20％	0.0739	0.01945	0.625
2	35％	0.06925	0.03859	0.92
					3	50％	0.04485	0.0483	1.214
4	75％	0.0253	0.08248	1.705
					5	90％	0.02155	0.1843	2

所述并网适应性测试项目主要包括：(1)1.1倍过载能力测试，即将风机有功出力指令加至额定功率的1.1倍，考核变流器的工作情况。(2)功率因数调节能力测试，即调节风机无功功率输出，改变功率因数，考核变流器调节功率因数的能力。(3)功率加载、降载阶跃响应能力测试，主要考核电机出力发生阶跃变化时，变流器的响应能力。

所述电网适应性能力测试项目主要包括：(1)电网电压适应性能力测试，当并网点的供电电压偏差在标准GB/T12325规定的限制范围内时，变流器应能正常运行。(2)频率适应性能力测试，当并网点的供电频率在标准GB/T19963要求的运行范围内时，变流器应能正常运行。(3)电压不平衡测试，当并网点发生三相电压不平衡(主要是负序电压不平衡)时，不平衡度在标准GB/T15543规定的限值范围内时，变流器应能正常运行。

具体的，步骤：返回变流器控制脉冲信号至所述RTDS仿真系统，具体包括：

将变流器控制脉冲信号经过光/电转换板转换成电信号(+15V电平)，并从数字输入接口(GTDI)卡返回至所述RTDS系统。

其中，如图3所示，其正常工作电压为5V，即GTDI卡通道有输入信号时，电路导通，端电压为5V，本发明实施例的GTDI卡的64个通道被分拆成两组，并隔离两组之间的电气连接，分别采用+5/24V外接电源进行供电，并分别接入晶闸管脉冲信号和断路器控制信号，解决了控制脉冲信号和GTDI卡的电平电压不匹配的问题，实现了在有限硬件条件下RTDS与待测试变流控制装置的闭环连接。

S106、所述RTDS仿真系统根据返回的变流器控制脉冲信号实时改变仿真电路模型的拓扑结构并进行新网络的仿真计算。

实施本发明，具有如下有益效果：

1、通过接入待测试变流控制装置，形成闭环测试条件，可以模拟低电压穿越、并网电能恶化等现象，进行实时仿真研究；

2、通过对变流控制器的小步长建模，精确模拟了IGBT晶闸管的高速开断过程，显著提高了仿真精度；

3、自定义了接口变压器模型，同时实现了大-小步长系统的信息交互和升压并网的功能，既节省了处理器资源，又保证了仿真精度；

4、通过设置短路故障的方式模拟低电压穿越现象，解决了通过动模系统进行变流器测试灵活性不足、试验成本高昂的问题；

5、根据实验可知，进行低穿实验时，限流阻抗与短路阻抗值与变流器容量有直接联系，本发明通过反复实验确定了二者之间的关联性，为不同容量的风机控制器测试提供了仿真参数的整定依据；

6、本发明解决了GTDI卡与风电控制器输出电平电压不匹配的问题，建立了实时数字仿真试验平台并在此基础上开展了对三电平直驱风电控制器的闭环测试。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，其特征在于，包括：

测试工作站建立永磁同步发电机及其变流器的仿真电路模型；

测试工作站将所述仿真电路模型发送至RTDS仿真系统，并进行并行仿真计算；

RTDS仿真系统将仿真计算得到的各侧电流电压信息输出到待测试变流控制装置；

RTDS仿真系统将测试所需的断路器和/或接触器的位置信息输出到待测试变流控制装置；

待测试变流控制装置根据所述各侧电流电压信息、以及所述断路器和/或接触器的位置信息进行测试，并返回变流器控制脉冲信号至所述RTDS仿真系统；

所述RTDS仿真系统根据返回的变流器控制脉冲信号实时改变仿真电路模型的拓扑结构并进行新网络的仿真计算。

2.如权利要求1所述的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，其特征在于，所述测试工作站建立永磁同步发电机及其变流器的仿真电路模型，具体包括：

测试工作站采用仿真软件RSCAD建立永磁同步发电机及其变流器的仿真电路模型，其中，仿真步长为2.5us，仿真电路模型通过接口变压器与电网系统的常规步长模型进行连接，实现信息交互。

3.如权利要求1或2所述的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，其特征在于，所述RTDS仿真系统将仿真计算得到的各侧电流电压信息输出到待测试变流控制装置，具体包括：

RTDS仿真系统将仿真计算得到的各侧电流电压信息通过模拟量/数字量输出板卡输出到待测试变流控制装置，其中，所述各侧电流电压信息包括机侧模块电流、机侧模块电压、网侧电压、直流电压、网侧模块电压、转子角度、有功给定和无功给定。

4.如权利要求3所述的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，其特征在于，所述网侧电压和网侧模块电流是通过功率放大器放大后的电压和电流。

5.如权利要求1或2或4所述的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，其特征在于，所述RTDS仿真系统将测试所需的断路器和/或接触器的位置信息输出到待测试变流控制装置，具体包括：

RTDS仿真系统将测试所需的断路器和/或接触器的位置信息通过模拟量/数字量输出板卡输出到待测试变流控制装置。

6.如权利要求1或2或4所述的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，其特征在于，所述待测试变流控制装置根据所述各侧电流电压信息、以及所述断路器和/或接触器的位置信息进行测试，具体包括：

所述待测试变流控制装置根据所述各侧电流电压信息、以及所述断路器和/或接触器的位置信息进行低电压穿越测试、并网适应性测试和电网适应性能力测试，其中

所述低电压穿越测试具体包括：通过限流电控和短路电抗的分压，模拟并网点的电压跌落过程；

所述并网适应性测试项目主要包括：1.1倍过载能力测试，功率因数调节能力测试，功率加载、降载阶跃响应能力测试；

所述电网适应性能力测试项目主要包括：电网电压适应性能力测试，频率适应性能力测试和电压不平衡测试。

7.如权利要求1或2或4所述的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，其特征在于，所述返回变流器控制脉冲信号至所述RTDS仿真系统，具体包括：

将变流器控制脉冲信号经过光/电转换板转换成电信号，并从GTDI卡返回至所述RTDS系统。

8.如权利要求7所述的直驱风机变流控制系统的实时仿真测试方法，其特征在于，所述GTDI卡的64个通道被分拆成两组，并隔离两组之间的电气连接，分别采用+5/24V外接电源进行供电，并分别接入晶闸管脉冲信号和断路器控制信号。