CN106650072B - 一种基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统及方法，检测系统包括依次连接的上位机、下位机仿真器、I/O模块、待测虚拟同步发电机控制器和数字录波仪，本发明提供的基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统可对多种类型的虚拟同步发电机及其中不同类型的储能单元、光伏发电单元、风电机组进行系统建模仿真。作为对虚拟同步发电机发电单元并网性能检测的新方法在完成待测虚拟同步发电机的数学建模基础上，便可进行系统级的半实物仿真检测，集成度高。可满足市场上各种不同电压等级下的虚拟同步发电机的并网性能检测需求。
Description
技术领域
本发明涉及新能源及节能技术领域，具体涉及一种基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统及方法。
背景技术
随着新能源电源渗透率不断提升，同时传统同步发电机的装机比例逐渐降低，电力系统中的旋转备用容量及转动惯量相对减少。另外，并网逆变器控制策略各异，加之新能源电源功率具有波动性、不确定性等特点，很难实现其即插即用与自主协调运行，这对以传统同步发电机理论构建的电网的安全稳定运行带来了严峻挑战。
采用的电力电子变流器的新能源电源通过采用虚拟同步发电机技术模拟同步发电机组的机电暂态特性，使其具有同步发电机组的惯量、一次调频、无功调压等并网运行外特性的技术。可见如何定量测量虚拟同步发电机的惯量、一次调频、无功调压等并网参数或能力对电网来说尤为重要，而其中惯量的测量是针对频率变化率的有功响应，因为模拟电网(电力电子设备)频率步长限制以及频率变化的周期特性，无法准确模拟特定工况下频率连续变化的电网频率扰动，造成惯量特性的测量存在一定的误差。
常规的新能源发电设备测试平台包括可编辑(控制)的模拟源、模拟电网装置并配备具备同步测量记录能力的实验仪器。其中模拟电网装置采用半导体器件，受开关频率和控制步长的限定，无法精确模拟真实电网的频率变化工况。
常规测试系统的接线方式等方面适应能力较差，而虚拟同步发电机发电单元由于地域和供电等级的区别，相互之间差异巨大，实际的设备往往无法满足要求。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统及方法，本发明旨在为虚拟同步发电机的并网性能提供一个仿真平台和检测方法，该系统适应性强、性能稳定、可扩展、兼容性好，能大大节约检测成本和避免安全隐患。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统，其改进之处在于，所述检测系统包括依次连接的上位机、下位机仿真器、带有I/O模块的接入设备、待测虚拟同步发电机控制器和数字录波仪；所述待测虚拟同步发电机控制器用于接收采样信号、调度指令输入信号，通过程序运算和编译输出PWM脉冲波，从而完成待测虚拟同步发电机控制策略的执行；所述数字录波仪用于记录待测虚拟同步发电机控制器输入侧采样环节的电压电流参数的实时波形。
进一步地，所述上位机是所述检测系统的总控主机，用于构建模拟电网模型、检测主回路模型和待测虚拟同步发电机单元模型，优化所述检测系统的参数，将建模软件所生成模型的实时代码自动下载到下位机仿真器中；用于控制整个半实物仿真过程，在人机交互界面中完成仿真结果的输入和输出；所述模拟电网模型包括电压和频率调节器；待测虚拟同步发电机单元模型包括虚拟同步发电机的主回路和采样回路模型。
进一步地，所述检测主回路模型包括能发生电网扰动的模拟电网模型、并网开关、进线开关、负载开关、三相孤岛负载以及待测虚拟同步发电机单元模型；
所述模拟电网模型分别与实验母线和并网开关连接；所述待测虚拟同步发电机单元模型通过电力导线，经过并网开关和进线开关与模拟电网模型相连接；三相孤岛负载通过电力导线，经过负载开关和并网开关与模拟电网模型连接。
进一步地，在所述进线开关和负载开关的连线上设有第一测试点；在所述模拟电网模型和并网开关的连接线上设有第二测试点；在所述负载开关和三相孤岛负载的链接线上设有第三测试点。
进一步地，在所述待测虚拟同步发电机单元模型包括储能单元输出、光伏发电单元输出、风电机组输出以及负载接入点的多个测试点。
进一步地，所述下位机仿真器用于模拟被控对象，通过通讯总线与上位机之间实现数据交换。
进一步地，所述带有I/O模块的接入设备用于完成模型仿真的数据采集和记录，支持多种数据通讯协议，并对检测主回路模型进行实时驱动。
本发明还提供一种基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统的检测方法，其改进之处征在于，所述检测方法包括下述步骤：
(1)在上位机上通过仿真软件编辑模拟电网模型、检测主回路模型以及待测虚拟同步发电机单元模型；
(2)检测系统上电后，通过仿真软件模拟电网运行的正常状态和故障状态，通过上位机软件生成编译代码下发至下位机仿真器；
(3)下位机仿真器加载运行后生成状态值通过通讯总线下发至带有I/O模块的接入设备；
(4)所述后I/O模块将与待测虚拟同步发电机控制器相兼容的状态值输出到待测虚拟同步发电机控制器数据采集的A/D转换接口，完成控制流的前向流程；
(5)待测虚拟同步发电机控制器将生成的控制量反馈回带有I/O模块的接入设备通过数字录波仪记录分析；
(6)若反馈到带有I/O模块的接入设备，则通过带有I/O模块的接入设备生成控制信号后通过通讯总线输入下位机仿真器；
(7)下位机仿真器将仿真结果编码值反馈给上位机的仿真软件，编码值通过仿真软件输出结果。
进一步地，所述检测主回路模型包括能发生电网扰动的模拟电网模型、并网开关、进线开关、负载开关、三相孤岛负载以及待测虚拟同步发电机单元模型；
所述模拟电网模型分别与实验母线和并网开关连接；所述待测虚拟同步发电机单元模型通过电力导线，经过并网开关和进线开关与模拟电网模型相连接；三相孤岛负载通过电力导线，经过负载开关和并网开关与模拟电网模型连接。
进一步地，在所述进线开关和负载开关的连线上设有第一测试点；在所述模拟电网模型和并网开关的连接线上设有第二测试点；在所述负载开关和三相孤岛负载的链接线上设有第三测试点；
在所述待测虚拟同步发电机单元模型包括储能单元输出、光伏发电单元输出、风电机组输出以及负载接入点的多个测试点。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1)本发明的技术方案对真实电网频率的模拟更加准确：
常规检测方案中，系统由虚拟同步发电机发电单元、模拟电网(电力电子设备)、和数字录波仪构成，其中模拟电网设备受限于电力电子设备的开关频率和控制步长，通常为ms级，无法准确模拟真实电网的频率变化过程。
采用本发明的方案，因为上位机的仿真步长为μs级，可以更加精确地模拟电网频率的连续变化，为虚拟同步发电机发电单元的惯量测试创造了更加真实的测试条件。
2)本发明的技术方案对提高系统经济型、适应性和可行性：
模拟电网的容量需要与待测虚拟同步发电机发电单元的容量匹配，这需要较大的软硬件投入，而上位机电脑和仿真器等弱电设备的使用寿命很长且性能稳定，经济性更高。
常规测试系统的接线方式等方面适应能力较差，而虚拟同步发电机发电单元由于地域和供电等级的区别，相互之间差异巨大，实际的设备往往无法满足要求。而本发明通过对系统硬件及系统一次电力回路建立数学模型，在针对不同区域和供电等级的虚拟同步发电机发电单元测试时，能够通过修改数学模型定义不同的平台系统参数，容易达到测试平台和待测发电单元相互适应的目的。
附图说明
图1是包含常见新能源发电单元的多类型虚拟同步发电机并网模型图；
图2是本发明提供的基于半实物仿真的虚拟同步发电机检测主回路模型图；
图3是本发明提供的基于半实物仿真的虚拟同步发电机检测系统模型图；
图4是本发明提供的为多类型虚拟同步发电机发电单元检测平台示例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
实施例一
本发明提供一种基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统，如图3所示，包括依次连接的上位机、下位机仿真器、带有I/O模块的接入设备、待测虚拟同步发电机控制器和数字录波仪。待测虚拟同步发电机控制器用于接收采样信号、调度指令输入信号，通过程序运算和编译输出PWM脉冲波，从而完成待测虚拟同步发电机控制策略的执行；所述数字录波仪用于记录待测虚拟同步发电机控制器输入侧采样环节的电压电流参数的实时波形。
上位机是整个半实物仿真系统的总控主机，它用于构建电网模型、检测主回路模型、待测虚拟同步发电机单元模型，优化半实物仿真系统的参数，将建模软件所生成模型的实时代码自动下载到仿真器中。它控制整个半实物仿真过程，在人机交互界面完成仿真结果的输入和输出。
虚拟同步发电机测试平台模型：虚拟同步发电机通常包含风力发电机组、光伏发电单元以及储能单元，它是一种包含大量电力电子设备的电源；如图1所示。
检测主回路模型包括能发生电网扰动的模拟电网模型、并网开关、进线开关、负载开关、三相孤岛负载以及待测虚拟同步发电机单元模型；所述模拟电网模型分别与实验母线和并网开关连接；所述待测虚拟同步发电机单元模型通过电力导线，经过并网开关和进线开关与模拟电网模型相连接；三相孤岛负载通过电力导线，经过负载开关和并网开关与模拟电网模型连接。
在进线开关和负载开关的连线上设有第一测试点；在所述模拟电网模型和并网开关的连接线上设有第二测试点；在所述负载开关和三相孤岛负载的链接线上设有第三测试点；在所述待测虚拟同步发电机单元模型包括储能单元输出、光伏发电单元输出、风电机组输出以及负载接入点的多个测试点。
下位机仿真器用于模拟被控对象，通过通讯总线与上位机之间实现数据交换。带有I/O模块的接入设备用于完成模型仿真的数据采集和记录，支持多种数据通讯协议，并对目标平台进行实时驱动。
实施例二
本发明还提供一种基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统的检测方法，包括：
在上位机上通过仿真软件编辑电网的数学模型、检测主回路模型以及虚拟同步发电机单元模型。系统上电后，通过仿真软件模拟电网运行的正常状态和各种故障状态，通过上位机软件生成编译代码下发至下位机仿真器，仿真器加载运行后生成状态值通过通讯总线下发至带有I/O模块的接入设备，然后I/O模块将与待测虚拟同步发电机的控制器相兼容的状态值输出到控制器数据采集的A/D转换接口，完成了控制流的前向流程。待测虚拟同步发电机控制器可将生成的控制量反馈回I/O接入设备也可以通过录波仪记录分析，若反馈到I/O设备，则通过I/O设备生成控制讯号后通过通讯总线输入下位机仿真器，仿真器可将仿真结果编码值反馈给上位机软件，编码值可以通过仿真软件输出结果。半实物系统仿真平台模型如图3所示，通过上位机的人机交互界面设定将要发生的电网工况，通过仿真软件模型库或函数文件建立不同的光伏发电单元、储能单元、风电机组等不同类型虚拟同步发电机的数学模型，并设置各自的并联组数、在主回路的节点位置以及分布情况等等。而检测回路中用于发生电网扰动的模拟电网装置、并网开关、进线开关、孤岛开关、三相孤岛负载等系统元件都可通过建模轻松实现。
上述实施例中，如图2所示，半实物仿真的检测主回路模型主要由能发生电网扰动的模拟电网装置、并网开关、进线开关、孤岛开关、三相孤岛负载以及待测对象虚拟同步发电机单元组成，其中，在并网开关、进线开关和孤岛负载处需要各布置一个测试点，在虚拟同步发电机单元也包含了多个测试点，即储能单元输出、光伏发电单元输出、风电机组输出以及负载接入点。
上述实施例中，使用上位机中仿真软件模型库或函数文件对不同类型的虚拟同步发电机进行数学建模。在上位机的人机交互界面中设定各种类型和发生顺序的电网正常或故障工况，然后就可以对模型进行下发编译。
此实例中上位机建立的半实物检测主回路模型主要由模拟电网模型、待测虚拟同步发电机单元模型(包括风电和光伏)、负载模型、进线开关、负载开关、并网开关构成，如图4所示。测试模型通过电力导线，经过并网开关和进线开关与模拟电网相连接。三相负载通过电力导线，经过负载开关和并网开关与模拟电网连接。
本发明提供的技术方案上位机的仿真步长为μs级，可以更加精确地模拟电网频率的连续变化，为虚拟同步发电机发电单元的惯量测试创造了更加真实的测试条件。
该半实物仿真检测系统可对多种类型的虚拟同步发电机及其中不同类型的储能单元、光伏发电单元、风电机组进行系统建模仿真。作为对虚拟同步发电机发电单元并网性能检测的新方法，通过配备上位机、仿真器和I/O模块构成半实物仿真系统，在完成待测虚拟同步发电机的数学建模基础上，便可进行系统级的半实物仿真检测，集成度高。可满足市场上各种不同电压等级下的虚拟同步发电机的并网性能检测需求。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统，其特征在于，所述检测系统包括依次连接的上位机、下位机仿真器、带有I/O模块的接入设备、待测虚拟同步发电机控制器和数字录波仪；所述待测虚拟同步发电机控制器用于接收采样信号、调度指令输入信号，通过程序运算和编译输出PWM脉冲波，从而完成待测虚拟同步发电机控制策略的执行；所述数字录波仪用于记录待测虚拟同步发电机控制器输入侧采样环节的电压电流参数的实时波形；
所述上位机是所述检测系统的总控主机，用于构建模拟电网模型、检测主回路模型和待测虚拟同步发电机单元模型，优化所述检测系统的参数，将建模软件所生成模型的实时代码自动下载到下位机仿真器中；用于控制整个半实物仿真过程，在人机交互界面中完成仿真结果的输入和输出；所述模拟电网模型包括电压和频率调节器；待测虚拟同步发电机单元模型包括虚拟同步发电机的主回路和采样回路模型；
所述检测主回路模型包括能发生电网扰动的模拟电网模型、并网开关、进线开关、负载开关、三相孤岛负载以及待测虚拟同步发电机单元模型；
所述模拟电网模型分别与实验母线和并网开关连接；所述待测虚拟同步发电机单元模型通过电力导线，经过并网开关和进线开关与模拟电网模型相连接；三相孤岛负载通过电力导线，经过负载开关和并网开关与模拟电网模型连接。
2.如权利要求1所述的虚拟同发电机并网检测系统，其特征在于，在所述进线开关和负载开关的连线上设有第一测试点；在所述模拟电网模型和并网开关的连接线上设有第二测试点；在所述负载开关和三相孤岛负载的连接线上设有第三测试点。
3.如权利要求2所述的虚拟同发电机并网检测系统，其特征在于，在所述待测虚拟同步发电机单元模型包括储能单元输出、光伏发电单元输出、风电机组输出以及负载接入点的多个测试点。
4.如权利要求1所述的虚拟同发电机并网检测系统，其特征在于，所述下位机仿真器用于模拟被控对象，通过通讯总线与上位机之间实现数据交换。
5.如权利要求1所述的虚拟同发电机并网检测系统，其特征在于，所述带有I/O模块的接入设备用于完成模型仿真的数据采集和记录，支持多种数据通讯协议，并对检测主回路模型进行实时驱动。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统的 检测方法，其特征在于，所述检测方法包括下述步骤：
(1)在上位机上通过仿真软件编辑模拟电网模型、检测主回路模型以及待测虚拟同步发电机单元模型；
(2)检测系统上电后，通过仿真软件模拟电网运行的正常状态和故障状态，通过上位机软件生成编译代码下发至下位机仿真器；
(3)下位机仿真器加载运行后生成状态值通过通讯总线下发至带有I/O模块的接入设备；
(4)然后I/O模块将与待测虚拟同步发电机控制器相兼容的状态值输出到待测虚拟同步发电机控制器数据采集的A/D转换接口，完成控制流的前向流程；
(5)待测虚拟同步发电机控制器将生成的控制量反馈回带有I/O模块的接入设备通过数字录波仪记录分析；
(6)若反馈到带有I/O模块的接入设备，则通过带有I/O模块的接入设备生成控制信号后通过通讯总线输入下位机仿真器；
(7)下位机仿真器将仿真结果编码值反馈给上位机的仿真软件，编码值通过仿真软件输出结果。
7.如权利要求6所述的基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测主回路模型包括能发生电网扰动的模拟电网模型、并网开关、进线开关、负载开关、三相孤岛负载以及待测虚拟同步发电机单元模型；
所述模拟电网模型分别与实验母线和并网开关连接；所述待测虚拟同步发电机单元模型通过电力导线，经过并网开关和进线开关与模拟电网模型相连接；三相孤岛负载通过电力导线，经过负载开关和并网开关与模拟电网模型连接。
8.如权利要求7所述的基于半实物仿真的虚拟同发电机并网检测系统的检测方法，其特征在于，在所述进线开关和负载开关的连线上设有第一测试点；在所述模拟电网模型和并网开关的连接线上设有第二测试点；在所述负载开关和三相孤岛负载的连接线上设有第三测试点；
在所述待测虚拟同步发电机单元模型包括储能单元输出、光伏发电单元输出、风电机组输出以及负载接入点的多个测试点。
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