CN106814263A - 一种半实物仿真并网检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于通用电力电子平台的半实物仿真并网检测系统及方法，该系统包括：依次双向通信连接的上位机、仿真器、I/O接入模块和电力电子设备控制器组。上位机根据电网运行状态生成编译代码，仿真器接收编译代码并生成状态值，状态值经I/O接入模块的转换接口进入电力电子设备控制器组，数字录波仪记录并分析电力电子设备控制器组生成的控制量。本发明的检测系统弱电电气性能稳定，不会因为强电和户外复杂气候条件作用，以及设备使用年限的过久而引起绝缘耐压能力的降低等安全隐患，运行过程中只产生系统弱电的自耗电，节能环保，大大降低了实验或测试所需要的成本。

Description

一种半实物仿真并网检测系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及新能源节能领域，具体讲涉及一种新能源电力电子设备的检测系统及 方法。

背景技术

[0002] 随着分布式发电技术的发展，由光伏发电系统、风力发电系统、储能系统等电力电 子设备以及用户负载构成的微型电网逐渐得到广泛的实际运用。从接入配电网的微型电网 来看，微型电网在并网运行时，并网点的潮流方向即有可能流入配电网，使微型电网呈现电 源特性，另一种可能是从配电网流向微型电网，使其呈现负载特性。

[0003] 同时，微型电网接入配电网需要配合配电网进行接地、通讯、功率控制、继电保护 方面的调整。可见，微型电网的接入使得配电网更加复杂。因此，对微型电网的安全性、稳 定性以及并网特性检测必不可少。有的地方并未形成成熟的针对微型电网的标准体系，但 是针对相关的新能源设备和发电单元接入配电网已经有比较成熟的标准和技术规定，这些 标准的检测项目大致可分为以下几类：

[0004] 安规类：主要包括IP等级、绝缘耐压等；

[0005] 通用性能测试：主要包括EMC、过载能力、效率等；

[0006] 保护特性：主要包括过流保护、过欠压保护、孤岛保护、过欠频保护等；

[0007] 并网特性：主要包括电网适应性、谐波、电压不平衡度、并网点潮流流向控制等。

[0008] 常规的微型电网发电单元并网性能检测系统拓扑如附图1所示，图中的并网特性 检测在实际执行时，需要考虑微型电网单元中各个新能源电力电子设备的协同工作和同步 测量，由于实际的微型电网中设备距离远、地况复杂，这为测量点的布置造成了巨大的困 难。

[0009] 此外，常规的微型电网发电单元并网性能检测平台在配备具备同步测量记录能力 的实验仪器和大容量的测试平台之外，还需要对整个微型电网区域中协同工作的电力电子 设备和负载的电气参数进行同步测量，接线复杂，可操作性差；且在检测时往往需要对微型 电网中的设备以及并网点开关进行断电，这既影响负载侧的正常生产生活，又威胁配电网 的安全运行。

发明内容

[0010] 针对现有技术的不足，本发明提出的一种基于通用电力电子平台的半实物仿真并 网检测系统，采用下述技术方案实现的：

[0011] —种基于通用电力电子平台的半实物仿真并网检测系统，包括：

[0012] 依次双向通信连接的上位机、仿真器、I/O接入模块和电力电子设备控制器组；电 力电子设备控制器组与数字录波仪连接。

[0013] 上位机包括半实物检测仿真平台；

[0014] 半实物检测仿真平台包括：400V试验母线、模拟电网模块、并网开关、进线开关、 孤岛开夫、待测微型电网单元和三相孤岛负载；模拟电网模块通过400V试验母线与并网开 关一端相连；并网开关的另一端分别与进线开关和孤岛开关的一端相连；进线开关的另一 端与待测微型电网单元相连；孤岛开关的另一端与三相孤岛负载相连。

[0015]待测微型电网单元模型包括：并行相连的储能系统模型、并网光伏发电系统模型、 风力发电模型和负载模型；风力发电模型包括双馈感应式风力发电机组模型、双馈式风电 变流器模型；双馈感应式风力发电机的绕组包括主功率绕组和控制绕组；双馈感应式风力 发电机的主功率绕组与电网相连，风力发电机的控制绕组经风电变流器与电网相连。

[0016]并网光伏逆变器模型为不隔离的两电平模型；储能变流器包括两级串联电路，Ac/ DC级电路为PWM可控整流电路，DC/DC级电路为BUCK同步整流电路。

[0017] —种半实物仿真并网检测系统的半实物仿真并网检测方法，上位机根据电网运行 状态生成编译代码；仿真器接收编译代码并生成状态值，状态值经I/O接入模块的转换接 口进入电力电子设备控制器组；数字录波仪记录并分析电力电子设备控制器组生成的控制 量。

[0018]电力电子控制器组将控制量反馈到I/O接入模块，I/O接入模块生成的控制讯号 经仿真器生成仿真结果代码，仿真结果代码反馈到上位机输出控制量的仿真结果。

[0019]在上位机中，并网开关与进线开关处设置第一测试点；模拟电网模块与并网开关 间设置第二测试点；孤岛开关与三相孤岛负载间设置第三测试点；储能变流器输出处、光 伏逆变器输出处、风电变流器输出处和负载接入点分别设置第四、第五、第六和第七测试 点。

[0020]在进行防孤岛实验时：闭合孤岛开关，当R/L/C负载相互匹配并发生谐振时，断开 并网开关，实施防孤岛实验。

[0021]与最接近的现有技术比，本发明具有如下有益效果：

[0022] 1、本发明在模拟检测平台的同时，可以模拟微型电网中电力电子设备带负载或空 载时的主回路和采样回路的电气特性。

[0023] 2、本发明只需一次性投入，系统具备强大的可编辑能力和仿真能力，可协调多台 设备的协同运行，并且具备时间节点设置能力，可以灵活控制事件发生的顺序和时序。

[0024] 3、本发明配备扩展性和兼容性良好的I/O模块，能够满足对电力电子设备的多点 协同输入输出控制，避免了远距离测量和数据同步的问题。

[0025] 4、本发明的检测系统弱电电气性能稳定，不会因为强电和户外复杂气候条件作 用，以及设备使用年限的过久而引起绝缘耐压能力的降低等安全隐患，运行过程中只产生 系统弱电的自耗电，节能环保，大大降低了模拟电网异常所需要的成本。

[0026] 5、本发明旨在为微型电网中电力电子设备的电气性能及并网性能提供一个仿真 平台和检测方法，该平台适应性强、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。

附图说明

[0027] 图1为常规微型电网发电单元并网性能检测平台示意图；

[0028] 图2为本发明的半实物仿真并网检测平台示意图；

[0029] 图3为本发明只包含电力电子设备的微型电网回路示意图；

[0030]图4为本发明的双馈式风力发电机组并网拓扑模型示意图；

[0031]图5为本发明的光伏逆变器单级DC/AC拓扑模型示意图；

[0032]图6为本发明的储能变流器两级AC/DC/DC拓扑模型示意图；

[0033]图7为本发明的半实物仿真检测平台主回路模型示意图；

[0034]图8为本发明的半实物仿真系统模型示意图。

具体实施方式

[0035]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。

[0036]本发明以如图2所示的半实物仿真并网检测平台为核心，其构成的半实物仿真系 统包括：上位机、仿真器、I/O模块、待测发电单元电力电子设备控制器、数字录波仪。

[0037]上位机：为整个半实物仿真系统的总控主机，集成了半实物仿真软件及建模软件， 半实物检测仿真平台模型在建模软件上完成搭建；上位机用于构建电网模型、待测微型电 网以及电力电子设备的硬件主回路模型，并优化半实物仿真系统参数，将建模软件生成模 型的实时代码自动下载到仿真器中；上位机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。

[0038]仿真器：用作模拟被控对象，通过通讯光缆与上位机实现数据交换。

[0039] I/O模块：主要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。

[0040] 上位机建立的半实物检测平台模型主要由模拟电网模型、储能变流器模型、并网 光伏逆变器模型、双馈式风电变流器模型、三相孤岛负载模型、分布式户用负载模型、进线 开关、孤岛开关、并网开关构成。使用仿真软件模型库或函数文件对上位机中特定类型的并 网光伏逆变器（PV Battery)、储能变流器（Battery Pack)、风电变流器（Wind Generator)、 分布式用户负载（Load)进行数学建模、设置并联组数、主回路节点位置、负载类型、负载大 小和负载分布等情况。

[0041]图3是只包含电力电子设备的特殊微型电网平台，由储能系统模型、并网光伏发 电系统模型、风力发电模型和相应的负载模型构成。

[0042] 图4所示的风力发电机组拓扑模型中，风力发电机组分为直驱式永磁同步发电机 组和双馈式风力发电机组，本发明的微型电网平台采用双馈式风力发电机组，双馈式风力 发电机组包含一套主功率绕组和一套控制绕组，其中，控制绕组接入双馈式风电变流器。 [0043] 图5所示的并网光伏逆变器按照交流侧隔离特性分为带变压器隔离型和不隔离 型，按照滤波器侧输出电压的电平数量分为两电平和三电平结构，本发明的并网光伏逆变 器采用不隔离的两电平拓扑模型，即DC/AC的结构。

[0044] 如图6所示的储能变流器采用两级串联拓扑结构，即AC/DC&DC/DC结构，前级AC/ DC电路采用PWM可控整流方案，通过控制网侧电压矢量与桥臂输入电压矢量实现有功功率 双向流动，功率因数可调的功能，并能够迅速调节直流侧的电压使直流侧保持平稳输出。后 级DC/DC电路采用BUCK同步整流电路调节输出电压及电流，增强系统对直流侧电压电流的 控制，扩展输出输入电压的范围，模拟不同类型不同拓扑连接方式的电池输入输出外特性。 [0045] 如图7所示的半实物仿真检测回路主要由能发生电网扰动的模拟电网模块、并网 开关、进线开关、孤岛开关、三相孤岛负载以及待测微型电网单元组成：测试模型通过400V 实验母线进线，经过并网开关和进线开关后，与通用电力电子平台，即待测微型电网单元， 相连；在仿真检测平台回路中，并网开关、进线开关和孤岛负载处各设置一个测试点，微型 电网单元中也包含多个测试点，即储能变流器输出、光伏逆变器输出、风电变流器输出以及 负载接入点。

[0046] 防孤岛实验：

[0047] 在进行孤岛模拟实验时，将孤岛开关闭合，投入相应的R/L/C负载，待负载匹配并 发生谐振后，断开并网开关，便可进行待测微型电网发电单元的防孤岛实验。

[0048] 如图8所示的半实物仿真系统，系统上电后，上位机通过仿真软件编辑电网的数 学模型、检测主回路模型、微型电网中接入的电力电子设备硬件模型以及负载模型，通过仿 真软件模拟正常状态和各种故障的电网运行状态，通过上位机软件生成编译代码下发至仿 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模块与待测设备或平台的电力电子控制器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。

[0049] 待测设备或平台的电力电子控制器可将生成的控制量反馈到I/O接入设备也可 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。

[0050] 最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所 属领域的普通技术人员参照上述实施例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 (9)

1. 一种半实物仿真并网检测系统，其特征在于， 所述并网检测系统包括：依次双向通信连接的上位机、仿真器、I/O接入模块和电力电 子设备控制器组； 所述电力电子设备控制器组与数字录波伩连接。

2. 根据权利要求1所述的并网检测系统，其特征在于， 所述上位机包括半实物检测仿真平台； 所述半实物检测仿真平台包括：400V试验母线、模拟电网模块、并网开关、进线开关、 孤岛开关、待测微型电网单元和三相孤岛负载； 所述模拟电网模块通过所述400V试验母线与所述并网开关一端相连； 所述并网开关的另一端分别与所述进线开关和所述孤岛开关的一端相连； 所述进线开关的另一端与所述待测微型电网单元相连； 所述孤岛开关的另一端与所述三相孤岛负载相连。

3. 根据权利要求2所述的并网检测系统，其特征在于， 所述待测微型电网单元包括：并行相连的储能系统模型、并网光伏发电系统模型、风力 发电系统模型和负载模型。

4. 根据权利要求3所述的并网检测系统，其特征在于， 所述风力发电系统包括双馈感应式风力发电机组模型和双馈式风电变流器模型； 所述双馈感应式风力发电机的绕组包括主功率绕组和控制绕组； 所述主功率绕组与电网相连，所述控制绕组经所述双馈式风电变流器与电网相连。

5. 根据权利要求4所述的并网检测系统，其特征在于， 所述并网光伏逆变器模型为不隔离的两电平模型； 所述储能变流器包括两级串联电路，AC/DC级电路为PWM可控整流电路，DC/DC级电路 为BUCK同步整流电路。

6.—种基于权利要求1所述的一种半实物仿真并网检测系统的半实物仿真并网检测 方法，其特征在于， 上位机根据电网运行状态生成编译代码； 仿真器接收所述编译代码并生成状态值，所述状态值经I/O接入模块的转换接口进入 电力电子设备控制器组； 数字录波仪记录并分析所述电力电子设备控制器组生成的控制量。

7. 根据权利要求6所述的并网检测方法，其特征在于， 所述电力电子控制器组将所述控制量反馈到所述I/O接入模块，所述I/O接入模块生 成的控制讯号经所述仿真器生成仿真结果代码，所述仿真结果代码反馈到所述上位机输出 所述控制量的仿真结果。

8. 根据权利要求7所述并网检测方法，其特征在于， 在上位机中，并网开关与进线开关处设置第一测试点； 模拟电网模块与并网开关间设置第二测试点； 孤岛开关与三相孤岛负载间设置第三测试点； 储能变流器输出处、光伏逆变器输出处、风电变流器输出处和负载接入点分别设置第 四、第五、第六和第七测试点。

9.根据权利要求8所述的并网检测方法，其特征在于， 闭合所述孤岛开关，当R/L/C负载相互匹配并发生谐振时，断开所述并网开关，实施防 孤岛实验D