CN105867161A - 基于rtds的风力发电数字物理混合仿真系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于RTDS的风力发电数字物理混合仿真系统及方法。该仿真系统既可实现纯RTDS风力发电系统仿真又可实现数字物理混合RTDS风力发电系统仿真，由纯RTDS风力发电仿真系统和数字物理混合RTDS风力发电系统两部分组成。纯RTDS风力发电仿真系统在RTDS RSCAD软件中实现，包括仿真控制器、风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型。数字物理混合RTDS风力发电仿真系统由RTDS RSCAD软件、接口卡和物理设备构成。本发明可通过多种模式的仿真对风力发电系统进行综合分析，既可在物理平台上对控制策略的性能进行检验和调试，又可实时修正控制参数、控制策略，为实际工程设计提供重要实践依据。

Description

基于RTDS的风力发电数字物理混合仿真系统及方法

技术领域

本发明涉及风力发电系统仿真技术领域，特别涉及一种基于RTDS（Real Time Digital Simulator，实时数字仿真仪）的风力发电系统数字物理混合仿真系统及方法。

背景技术

风光等新型能源可有效解决远离大电网供电的偏远地区或海岛生活的供电难题，对当地经济发展和居民生活保障具有重要意义。风力发电凭借其独特的清洁和低成本优点一直受到青睐，已成为国内可再生能源发展战略的重要内容，但由于其不同于常规电源的发电特点，输出功率波动较大，因此在变化风速下的风力发电系统建模与仿真研究成为新能源发电领域的重要课题。

传统的风力发电系统仿真模型大多在计算机上搭建，即用纯软件的RTDS进行分析，但是仿真模型的精确性会大大影响仿真的准确度，也没有考虑到外部实际的风机状态。虽然实际物理试验能更加真实和准确地验证所建模型，为其的理论研究提供实验支撑，其优点是直观、形象，但是随着风力发电系统规模扩大、模型复杂化，建立一个大规模的风力发电系统试验平台耗资巨大、设备参数不能灵活调节、所能提供的实验功能也较少、模拟规模有限，因此只能为特定的研究内容提供实验，而不具备通用性，并且接入实际电网后难以进行一些相关试验来检验控制系统与电网之间的相互影响，如低压穿越等。数字物理混合仿真技术在一定程度上可以弥补以上这些不足，可以对风力发电系统控制策略进行更深人准确的研究。数字仿真通过计算机软件平台模拟实际风力发电系统，克服了物理仿真的缺陷。风力发电系统的数字物理混合实时仿真条件更接近于实际情况，在实验室中既可对控制策略的性能进行检验和调试，大大缩短了控制系统的研究周期，节省科研经费，又可实时修正控制参数、控制策略，为实际工程设计提供实践依据，因此具有很广阔的应用前景。

经对现有技术文献的检索发现，一种风光储综合微网实验仿真平台（申请号：CN201520105680.3）采用数字物理仿真法进行分析，包括微电网RTDS平台、中央控制器以及分别与中央控制器连接的光伏控制器、储能控制器和风电控制器,所述的光伏控制器、储能控制器和风电控制器分别通过模拟数字信号转换装置与RTDS平台连接。该平台能够研究风光储综合微电网暂态下复杂动态行为,并具有切换微电网并网模式或孤岛模式、频率稳定控制、电压稳定控制以及微网系统的经济运行控制等功能。该系统可以比较真实地仿真出实际微电网系统的状态，但该方法仿真模式比较单一，无法通过多种仿真模式对系统进行综合评价。

针对以上不足，本发明提出一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统及方法，该仿真系统既可实现纯RTDS风力发电系统仿真又可实现数字物理混合RTDS风力发电系统仿真，可同时给出三种仿真曲线，并可通过多种模式的仿真对风力发电系统进行综合评价。该风力发电系统数字物理混合仿真方法可验证纯软件仿真和混合仿真都可以完成风力发电系统的动态特性仿真分析，且混合仿真分析具有较高的仿真精度。

发明内容

本发明提供一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统及方法，使得在系统在计算机中的仿真条件更接近于实际情况，既可对控制控制策略的性能进行检验和调试，缩短研究周期，同时可通过多种模式的仿真对风力发电系统进行综合评价，为工程设计提供实践依据，具有广阔的应用前景。

基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统，其包括纯RTDS风力发电仿真系统和数字物理混合RTDS风力发电系统；所述纯RTDS风力发电仿真系统在现有RTDS RSCAD软件中实现，所述纯RTDS风力发电仿真系统中搭建的数学模型包括：仿真控制器、风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型，由仿真控制器设置风力发电系统的控制策略；所述数字物理混合RTDS风力发电仿真系统由RTDS RSCAD软件、接口卡和物理设备构成；所述RTDS RSCAD软件用于搭建风力发电仿真模型，提供实时仿真环境；所述接口卡用于提供RTDS RSCAD软件与物理设备之间实际工程接口，通过接口卡的模拟通道将RTDS RSCAD软件的模拟量传输到物理设备，通过接口卡的数字通道将物理设备的数字信号传输到RTDS RSCAD软件；所述物理设备包括风力发电控制器或实际风力发电系统。

进一步地，数字物理混合RTDS风力发电系统具有两种仿真模式：仿真模式一，风力发电系统主电路和电网采用RTDS数学模型模拟，物理设备为风力发电系统控制器；仿真模式二，电网采用RTDS RSCAD软件模拟并通过接口卡和功率放大器与外部物理设备连接，物理设备则为实际风力发电系统。

进一步地，所述的仿真模式一为在RTDS RSCAD软件中搭建的数学模型，包括：风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型，其中，风力发电系统数学模型包括风力机、变流器、变压器主电路元件，而风力发电系统控制器则为实际物理设备；在RTDS RSCAD软件中搭建的模型和实际物理设备通过RTDS的GTAO和GTDI板卡连接在一起，控制器通过采集风力发电系统的电压、电流、风速、开关状态信息进行算法运行，最后再通过GTDI接口将控制PWM脉冲和开关动作信息输入RTDS系统中，从而实现对风力发电系统的闭环控制。

进一步地，所述的仿真模式二为：

在RTDS RSCAD软件中搭建仿真电网模型，并通过接口卡和功率放大器与外部物理设备连接，物理设备则为实际风力发电系统；实际风力发电系统具有实际控制器和实时数据处理子系统。

利用上述一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统的仿真方法，其步骤如下：

1）在RTDS RSCAD软件中搭建仿真控制器、风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型，进行纯RTDS仿真分析；

2）在RTDS RSCAD软件中搭建风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型，并通过 GTAO和GTDI板卡连接到实际物理控制器设备，进行基于RTDS的数字物理混合仿真模式一分析；

3）在RTDS RSCAD软件中仿真电网模型，并通过 GTAO和GTDI板卡连接到实际风力发电系统，进行基于RTDS的数字物理混合仿真模式二分析。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

本发明提供的一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统及方法仿真条件更接近于实际情况，在实验室中既可对控制策略的性能进行检验和调试，大大缩短了控制系统的研究周期，节省科研经费，又可实时修正控制参数、控制策略，为实际工程设计提供实践依据，因此具有很广阔的应用前景。

附图说明

图1是一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统图。

图2是实际风力发电系统控制拓扑图。

图3是数字物理混合RTDS风力发电仿真系统模式图。

图4是RTDS风力发电系统控制图。

图5是模式一下风速降低时的仿真结果图。

图6是模式二下风速增加时的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

图1是一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统图。其既可实现纯RTDS风力发电系统仿真又可实现数字物理混合RTDS风力发电系统仿真。

所述纯RTDS风电发电仿真系统在RTDS RSCAD软件中实现，搭建的数学模型包括：仿真控制器、风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型。由仿真控制器设置风力发电系统的控制策略。

仿真控制器在RTDS软件中实现，控制风力发电系统实现功率稳定输出和低电压穿越功能。系统控制策略是将逆变器数学模型转换到dq坐标轴，交流信号变换为dq轴上的直流量。采用PI控制器就可实现对电流的无静差控制，同时电流控制采用了前馈解耦方法。对dq轴电流进行控制，可实现对有功电流和无功电流的解耦控制。

实际永磁直驱风力发电系统拓扑结构如图2所示，同时也可用于在RTDS软件中搭建数学仿真模型。永磁直驱发电机输出电能经不可控整流器整流后输入前级Boost升压电路，Boost升压电路对输入电压进行升压并完成最大功率点跟踪控制，然后将能量注入都逆变器直流侧，最后逆变器通过逆变实现发电系统的并网运行。整个系统中不可整流控制实现电能的交直流变换，Boost升压电路则用于实现升压和最大功率点跟踪控制，逆变器则用于实现对直流侧电压的稳定控制和并网运行。

数字物理混合RTDS风力发电仿真系统由RTDS RSCAD软件、接口卡和物理设备构成。所述RTDS RSCAD软件用于搭建风力发电仿真模型，提供实时仿真环境；所述接口卡用于提供RTDS RSCAD软件与物理设备之间实际工程接口，通过接口卡的模拟通道将仿真软件的模拟量传输到物理设备，通过接口卡的数字通道将物理设备的数字信号传输到仿真软件；所述物理设备包括风力发电控制器或实际风力发电系统。

数字物理混合RTDS风力发电仿真系统具有两种仿真模式，如图3所示：模式一，风力发电系统主电路和电网采用RTDS数学模型模拟，物理设备为风力发电系统控制器；模式二，电网采用RTDS仿真模拟并通过接口卡和功率放大器与外部物理设备连接，物理设备则为实际风力发电系统。

模式一下，风力发电系统主电路部分在RTDS实时仿真系统中搭建，如图4所示，风力发电系统数学模型包括风力机、变流器、变压器等主电路元件，而风力发电系统控制器则为实际物理控制器。RTDS模型和实际物理设备通过RTDS的GTAO和GTDI板卡连接在一起，控制器通过采集风力发电系统的电压、电流、风速、开关状态等信息进行算法运行，最后再通过GTDI接口将控制PWM脉冲和开关动作信息输入RTDS系统中，从而实现对风力发电系统的闭环控制。

模式二下，在RTDS RSCAD软件中搭建电网仿真模型，按需求设置电网模型参数。风力发电系统在该模式下为实际物理设备，无需在仿真软件中搭建。仿真软件的电网模型通过GTAO接口卡将电网信号连接到功率放大器的输入端，从而形成模拟电网系统。功率放大器输出端连接风力发电系统的输出端。风力发电系统控制器通过对功率放大器输出的电流及电压信号进行采样，并用于控制器算法运行，产生驱动脉冲信号直接控制风力发电逆变器。

本发明一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统及方法具体实施如下：

一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统及方法实现步骤如下：

步骤一，实现纯RTDS风力发电系统仿真。在RTDS RSCAD软件中搭建主电路模型，包括风力发电机模型、变流器模型、变压器模型以及电网仿真模型；在RTDS RSCAD软件编写风力发电控制器控制程序，实现系统的稳定功率输出和低电压穿越功能。

步骤二，实现数字物理混合RTDS风力发电系统仿真。按所述模式一要求，在RTDS RSCAD软件中搭建主电路模型，包括风力发电机模型、变流器模型、变压器模型以及电网仿真模型；风力发电系统控制器采用微处理器实现。

步骤三，按所述模式二要求，在RTDS RSCAD软件中搭建电网仿真模型；风力发电系统由风电逆变器和系统控制器构成，控制器采用微处理器实现。

通过上述步骤，可完成不同仿真模式下的仿真及实验测试，从而验证控制策略的可靠性，对风力发电系统进行综合评价。

根据上述步骤搭建数字物理混合RTDS风力发电系统试验平台，当仿真工作于模式一时波形如图6所示，该图为风速由11.5m/s变化到9m/s时的动态响应。图中，P1、Q1分别表示永磁直驱风电系统纯RTDS软件模型的有功功率和无功功率，P2、Q2分别表示永磁直驱风电系统数字物理混合仿真模型的有功功率和无功功率。

由图知，对于纯软件模型，永磁直驱风力发电系统并网有功功率由25.5kW下降到11.7kW 左右；对于数字物理混合模型，永磁直驱风力发电系统并网有功功率由24.6kW下降到10.8kW左右；两者并网有功功率很接近，且变化趋势一致，而纯RTDS模型和数字物理混合模型的输出无功功率在整个过程中基本保持不变，分别为0.4kVar和0.7kVar，稳定时，两者有功功率和无功功率分别相差0.9kW和0.3kVar，在可接受范围，认为两者外特性基本一致。

当仿真工作于模式二时波形如图6所示，该图为风速由11m/s 变化到13m/s时模型的动态响应。图中，P1、Q1分别表示永磁直驱风电系统纯RTDS软件模型的有功功率和无功功率，P2、Q2分别表示永磁直驱风电系统数字物理混合仿真模型的有功功率和无功功率。

由图知，纯RTDS模型有功功率调节较快，数字物理混合模型有功功率调节相对而言慢些，但两种模型的输出有功功率变化趋势基本一致，而无功功率在整个调节过程中保持不变，两类模型有功功率和无功功率在调节过程中最大相差分别为1.5kW和0.4kVar，在可接受范围，认为两者外特性基本一致。

Claims (5)

1.基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统，其特征在于包括纯RTDS风力发电仿真系统和数字物理混合RTDS风力发电系统；所述纯RTDS风力发电仿真系统在现有RTDS RSCAD软件中实现，所述纯RTDS风力发电仿真系统中搭建的数学模型包括：仿真控制器、风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型，由仿真控制器设置风力发电系统的控制策略；所述数字物理混合RTDS风力发电仿真系统由RTDS RSCAD软件、接口卡和物理设备构成；所述RTDS RSCAD软件用于搭建风力发电仿真模型，提供实时仿真环境；所述接口卡用于提供RTDS RSCAD软件与物理设备之间实际工程接口，通过接口卡的模拟通道将RTDS RSCAD软件的模拟量传输到物理设备，通过接口卡的数字通道将物理设备的数字信号传输到RTDS RSCAD软件；所述物理设备包括风力发电控制器或实际风力发电系统。

2.根据权利要求1所述的一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统，其特征在于数字物理混合RTDS风力发电系统具有两种仿真模式：仿真模式一，风力发电系统主电路和电网采用RTDS数学模型模拟，物理设备为风力发电系统控制器；仿真模式二，电网采用RTDS RSCAD软件模拟并通过接口卡和功率放大器与外部物理设备连接，物理设备则为实际风力发电系统。

3.根据权利要求2所述的一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统，其特征在于所述的仿真模式一为在RTDS RSCAD软件中搭建的数学模型，包括：风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型，其中，风力发电系统数学模型包括风力机、变流器、变压器主电路元件，而风力发电系统控制器则为实际物理设备；在RTDS RSCAD软件中搭建的模型和实际物理设备通过RTDS的GTAO和GTDI板卡连接在一起，控制器通过采集风力发电系统的电压、电流、风速、开关状态信息进行算法运行，最后再通过GTDI接口将控制PWM脉冲和开关动作信息输入RTDS系统中，从而实现对风力发电系统的闭环控制。

4.根据权利要求2所述的一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统，其特征在于所述的仿真模式二为：

在RTDS RSCAD软件中搭建仿真电网模型，并通过接口卡和功率放大器与外部物理设备连接，物理设备则为实际风力发电系统；实际风力发电系统具有实际控制器和实时数据处理子系统。

5.利用根据权利要求1~4任一项所述一种基于RTDS的风力发电系统数字物理混合仿真系统的仿真方法，其特征在于步骤如下：

1）在RTDS RSCAD软件中搭建仿真控制器、风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型，进行纯RTDS仿真分析；

2）在RTDS RSCAD软件中搭建风力发电系统主电路数学模型和仿真电网模型，并通过 GTAO和GTDI板卡连接到实际物理控制器设备，进行基于RTDS的数字物理混合仿真模式一分析；

3）在RTDS RSCAD软件中仿真电网模型，并通过 GTAO和GTDI板卡连接到实际风力发电系统，进行基于RTDS的数字物理混合仿真模式二分析。