CN108073150A - 基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台及其方法，测试平台的被测风电机组主控系统、数据实时交互设备、综合测控系统依次连接，风电机组仿真模型分别与被测风电机组主控系统、数据实时交互设备和综合测控系统连接。本发明基于对风电机组的硬件在环仿真，将风电机组的叶片、轮毂、发电机、塔筒等部件进行数学建模并与实际的主控制器硬件进行实时在线仿真，通过风电机组的硬件在环仿真中的参数设定设置所需测试工况，实现风电机组功率控制能力的测试。

Description

基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台及其方法

技术领域

本发明涉及新能源接入与控制领域，具体涉及一种基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台及其方法。

背景技术

风电作为发展潜力巨大、应用最为广泛的可再生能源，是可再生能源发展的重点和支柱。在实现风电并网后，引起电网公司、业主、制造商等各方关注的是风电机组的并网性能。风电机组的功率控制能力是影响风电机组并网性能的一个重要指标。

随着风电的大规模并网，风能的波动性和不确定性导致风电机组出力的波动性，同时风电机组本身与常规发电机组不同的运行特性和控制方法也给系统的安全稳定运行带来了一些不利影响。其中，双馈感应风电机组实现了发电机有功功率和无功功率的解耦控制，使得DFIG风电机组的机械功率与系统电磁功率解耦、转子转速与系统频率解耦，因此失去了对系统频率变化的响应能力，影响电网运行的安全稳定。不同风力发电机组有不同的功率控制特性，其并网性能也不尽兴相同，因此需要对风电机组的功率控制性能进行测试以评估其并网对电网稳定运行的影响。

专利申请《一种风电机组有功功率控制方法和系统》(公开号：CN 105515061A)中提出了一种风电机组有功功率控制方法和系统，提出的风电机组有功功率控制方案，能够充分考虑影响风电机组运行寿命的因素,根据上述因素的特点进行分组,选择相应的控制序列与策略，对风电机组进行有功功率调节，从而减缓风电机组的老化；专利申请《一种风电场功率控制策略的测试系统及方法》(公开号：CN 103605360A)中提供了一种风电场功率控制策略的测试系统及其方法,该系统的风电场功率控制策略制定模块包括依次连接的网络数据接收/发送模块、数据解析模块、数据缓存模块、数据容错模块、有功/无功控制模块和实时数据交互模块,数据容错模块的输出端与实时数据交互模块的输入端连接；风电场功率控制策略制定模块通过网络数据接收/发送模块与风电场电网模拟仿真模块或实际电网接口模块进行信息交互，形成控制闭环测试风电场有功/无功控制系统的控制性能,提高现场投运成功率。目前尚无有功功率控制的实验室测试方法相关专利。

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硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台及其方法，本发明基于对风电机组的硬件在环仿真，将风电机组的叶片、轮毂、发电机、塔筒等部件进行数学建模并与实际的主控制器硬件进行实时在线仿真，通过风电机组的硬件在环仿真中的参数设定设置所需测试工况，实现风电机组功率控制能力的测试。

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硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台，其改进之处在于，所述测试平台包括被测风电机组主控系统、数据实时交互设备、综合测控系统和风电机组仿真模型；所述被测风电机组主控系统、数据实时交互设备、综合测控系统依次连接，所述风电机组仿真模型分别与被测风电机组主控系统、数据实时交互设备和综合测控系统连接。

进一步地，所述风电机组仿真模型通过数据实时交互设备与被测风电机组主控系统进行实时数据交互，并模拟被测风电机组主控系统的运行环境与工况，所述综合测控系统在试验中进行风电机组核心运行数据的在线观测与测试数据处理工作。

进一步地，所述被测风电机组主控系统包括主控制器，与所述主控制器连接的外围电路及主控系统应用模块；

所述风电机组仿真模型包含风速、风向、温度、电量模块、叶片、机舱、塔筒、传动链、偏航系统、液压系统、刹车、变桨系统、变频器、发电机和电网模型。

进一步地，所述测试平台的执行周期应为最短10ms，被测风电机组主控系统执行周期根据实际情况设定；通过所述测试平台从被测风电机组主控系统获得并存储的数据，数据采集周期为5ms。

本发明提供一种基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的测试方法，其改进之处在于，所述测试方法包括风电机组有功功率控制特性测试和风电机组无功功率控制特性测试。

进一步地，所述风电机组有功功率控制特性测试包括下述步骤：

1)基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台，运行风电机组仿真模型，通过在仿真环境中设置风速信号为大风风速值，使P>0.9Pn使风电机组从停机状态完成启动和并网，保持风电机组满发并稳定运行1分钟，其中：P表示风电机组输出有功功率，Pn表示风电机组额定功率；

2)在风电机组额定运行工况下，通过硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的仿真环境人机交互界面设置风电机组有功功率给定值，并下发有功功率给定值，每个有功功率控制点持续运行2min；

3)记录有功功率给定值与反馈值，记录测试期间的机舱风速、发电机、桨距角、电流和电压信号；

4)检查风电机组有功功率调节能力；

其中：P表示风电机组输出有功功率，Pn表示风电机组额定功率。

进一步地，所述风电机组无功功率控制特性测试包括下述步骤：

1)基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台，运行风电机组仿真模型，通过在仿真环境中设置风速信号为大风风速值，使P>0.9Pn，使风电机组从停机状态完成启动、并网，保持机组满发并稳定运行1分钟；

2)在风电机组满载运行工况下，即P>0.9Pn，通过基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的仿真环境人机交互界面设置风电机组无功功率给定值，并下发无功功率给定值，每个无功功率控制点持续运行2min；

3)基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台，运行风电机组仿真模型，通过在仿真环境中设置风速信号为小风风速值，使0.1Pn<P<0.3Pn，使风电机组从满发降功率至风电机组轻载运行工况下，并稳定运行1分钟；

4)在风电机组轻载运行工况下，即0.1Pn<P<0.3Pn，通过基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的仿真环境人机交互界面设置风电机组无功功率给定值，并下发无功功率给定值，每个无功功率控制点持续运行2min；

5)记录无功功率给定值与反馈值，记录测试期间的机舱风速、发电机、桨距角、电流和电压信号；

6)检查风电机组无功功率调节能力，即是否能够根据无功功率给定指令进行连续调节；

其中：P表示风电机组输出有功功率，Pn表示风电机组额定功率。

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)本方法中风电机组仿真及数据交互在实时操作系统中完成，极大程度地保障了测试的实时性与真实性；

(2)仿真时考虑了风电机组主控制器实际物理硬件，保证了仿真中风机控制逻辑的真实性，提高仿真测试精度；

(3)本方法可运用于在实验室环境下进行风电机组功率控制能力的测试，可快速的发现风电机组功率控制的缺陷和不足，从而进行程序消缺，缩短了测试周期节约了时间成本。

为了上述以及相关的目的，一个或多个实施例包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明某些示例性方面，并且其指示的仅仅是各个实施例的原则可以利用的各种方式中的一些方式。其它的益处和新颖性特征将随着下面的详细说明结合附图考虑而变得明显，所公开的实施例是要包括所有这些方面以及它们的等同。

附图说明

图1是本发明提供的基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的结构示意图；

图2是本发明提供的有功功率调节测试设定值曲线图；

图3是本发明提供的无功功率调节测试设定值曲线图。

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。

本发明介绍了一种基于硬件在环仿真的风电机组功率控制能力测试平台及其方法。本发明基于对风电机组的硬件在环仿真，将风电机组的叶片、轮毂、发电机、塔筒等部件进行数学建模并与实际的主控制器硬件进行实时在线仿真，通过风电机组的硬件在环仿真中的参数设定设置所需测试工况，实现风电机组功率控制能力的测试。方法在保证风电机组控制策略及各部件运行特性的真实性基础上，在仿真环境下模拟测试风况及电网工况，通过采集仿真过程中风速量、电压量、电流量等完成风电机组功率控制能力的测试，仿真的实时在线保证了测试结果的真实性，大大缩短功率控制能力现场测试的时间及其他成本。

本发明的基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台，在仿真环境中制造有功功率或无功功率变化指令，触发主控进入功率控制模式，进而表现出风电机组的功率控制特性及响应速度，用于评估风电机组功率控制特性。

基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台：主要由被测风电机组主控系统实物、风力发电机组仿真模型、数据实时交互系统和综合测控系统组成。被测风电机组主控系统实物包括主控制器，与其连接的外围电路及主控系统应用模块。图1为仿真测试平台结构示意图。

风力发电机组仿真模型通过数据实时交互设备与被测实际主控系统进行实时数据交互，并模拟主控系统的运行环境与工况，综合测控系统在试验中进行风力发电机组核心运行数据的在线观测与测试数据处理等工作。

1)风力发电机组仿真模型包含实际运行中对主控系统有明显影响的部件模型，包含风速、风向、温度、电量模块、叶片、机舱、塔筒、传动链、偏航系统、液压系统、刹车、变桨系统、变频器、发电机、电网等模型；

2)测试平台的执行周期应为最短10ms，主控系统执行周期根据实际情况设定；

3)通过测试平台从主控系统获得并存储的数据，数据采集周期为5ms。

本发明还提供一种基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的测试方法，包括风电机组有功功率控制特性测试和风电机组无功功率控制特性测试。

风电机组有功功率控制特性测试流程如下：

1)基于风电机组硬件在环仿真平台，运行风电机组主控在环仿真模型，通过在仿真环境中设置风速信号为大风风速值(使P>0.9Pn)，是风电机组从停机状态完成启动、并网，保持机组满发并稳定运行1分钟；

2)在风力发电机组额定运行工况下，通过硬件在环仿真平台的仿真环境人机交互界面设置风电机组有功功率给定值，并下发有功功率给定值，有功功率给定值应按照图2曲线进行设置，每个有功功率控制点持续运行2min；

3)记录有功功率设定值与反馈值，记录测试期间的机舱风速、发电机、桨距角、电流、电压信号；

4)检查风力发电机组有功功率调节能力。

风电机组无功功率控制特性测试流程如下：

1)基于风电机组硬件在环仿真平台，运行风电机组主控在环仿真模型，通过在仿真环境中设置风速信号为大风风速值(使P>0.9Pn)，使风电机组从停机状态完成启动、并网，保持机组满发并稳定运行1分钟；

2)在风力发电机组满载(P>0.9Pn)运行工况下，通过硬件在环仿真平台的仿真环境人机交互界面设置风电机组无功功率给定值，并下发无功功率给定值，无功功率给定值应按照图3曲线进行设置，每个无功功率控制点持续运行2min；

3)基于风电机组硬件在环仿真平台，运行风电机组主控在环仿真模型，通过在仿真环境中设置风速信号为小风风速值(使0.1Pn<P<0.3Pn)，使风电机组从满发降功率至风电机组轻载运行工况下，并稳定运行1分钟；

4)在风力发电机组轻载(0.1Pn<P<0.3Pn)运行工况下，通过硬件在环仿真平台的仿真环境人机交互界面设置风电机组无功功率给定值，并下发无功功率给定值，无功功率给定值应按照图3曲线进行设置，每个无功功率控制点持续运行2min；

5)记录无功功率设定值与反馈值，记录测试期间的机舱风速、发电机、桨距角、电流、电压信号；

6)检查风力发电机组无功功率调节能力，即是否能够根据无功功率给定指令进行连续调节；

其中：P表示风电机组输出有功功率，Pn表示风电机组额定功率。

本发明基于对风电机组的硬件在环仿真，将风电机组的叶片、轮毂、发电机、塔筒等部件进行数学建模并与实际的主控制器硬件进行实时在线仿真，通过风电机组的硬件在环仿真中的参数设定设置所需测试工况，实现风电机组功率控制能力的测试。

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 (7)

1.一种基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台，其特征在于，所述测试平台包括被测风电机组主控系统、数据实时交互设备、综合测控系统和风电机组仿真模型；所述被测风电机组主控系统、数据实时交互设备、综合测控系统依次连接，所述风电机组仿真模型分别与被测风电机组主控系统、数据实时交互设备和综合测控系统连接。

2.如权利要求1所述的风电机组功率控制测试平台，其特征在于，所述风电机组仿真模型通过数据实时交互设备与被测风电机组主控系统进行实时数据交互，并模拟被测风电机组主控系统的运行环境与工况，所述综合测控系统在试验中进行风电机组核心运行数据的在线观测与测试数据处理工作。

3.如权利要求2所述的风电机组功率控制测试平台，其特征在于，所述被测风电机组主控系统包括主控制器，与所述主控制器连接的外围电路及主控系统应用模块；

所述风电机组仿真模型包含风速、风向、温度、电量模块、叶片、机舱、塔筒、传动链、偏航系统、液压系统、刹车、变桨系统、变频器、发电机和电网模型。

4.如权利要求1所述的风电机组功率控制测试平台，其特征在于，所述测试平台的执行周期应为最短10ms，被测风电机组主控系统执行周期根据实际情况设定；通过所述测试平台从被测风电机组主控系统获得并存储的数据，数据采集周期为5ms。

5.一种如权利要求1-4中任一项所述的基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括风电机组有功功率控制特性测试和风电机组无功功率控制特性测试。

6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述风电机组有功功率控制特性测试包括下述步骤：

1)基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台，运行风电机组仿真模型，通过在仿真环境中设置风速信号为大风风速值，使P>0.9Pn使风电机组从停机状态完成启动和并网，保持风电机组满发并稳定运行1分钟，其中：P表示风电机组输出有功功率，Pn表示风电机组额定功率；

2)在风电机组额定运行工况下，通过硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的仿真环境人机交互界面设置风电机组有功功率给定值，并下发有功功率给定值，每个有功功率控制点持续运行2min；

3)记录有功功率给定值与反馈值，记录测试期间的机舱风速、发电机、桨距角、电流和电压信号；

4)检查风电机组有功功率调节能力；

其中：P表示风电机组输出有功功率，Pn表示风电机组额定功率。

7.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述风电机组无功功率控制特性测试包括下述步骤：

1)基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台，运行风电机组仿真模型，通过在仿真环境中设置风速信号为大风风速值，使P>0.9Pn，使风电机组从停机状态完成启动、并网，保持机组满发并稳定运行1分钟；

2)在风电机组满载运行工况下，即P>0.9Pn，通过基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的仿真环境人机交互界面设置风电机组无功功率给定值，并下发无功功率给定值，每个无功功率控制点持续运行2min；

3)基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台，运行风电机组仿真模型，通过在仿真环境中设置风速信号为小风风速值，使0.1Pn<P<0.3Pn，使风电机组从满发降功率至风电机组轻载运行工况下，并稳定运行1分钟；

4)在风电机组轻载运行工况下，即0.1Pn<P<0.3Pn，通过基于硬件在环仿真的风电机组功率控制测试平台的仿真环境人机交互界面设置风电机组无功功率给定值，并下发无功功率给定值，每个无功功率控制点持续运行2min；

5)记录无功功率给定值与反馈值，记录测试期间的机舱风速、发电机、桨距角、电流和电压信号；

6)检查风电机组无功功率调节能力，即是否能够根据无功功率给定指令进行连续调节；

其中：P表示风电机组输出有功功率，Pn表示风电机组额定功率。