CN108363007B - 一种光伏虚拟同步发电机性能测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请提供了一种光伏虚拟同步发电机性能测试装置及方法，其中，装置包括：信号发生器及录波仪；信号发生器连接光伏虚拟同步发电机的控制器，用于输出模拟电网频率变化信号或电压变化信号至光伏虚拟同步发电机的控制器；录波仪连接电网，用于录取电网的电压信号及电流信号；录波仪还连接光伏虚拟同步发电机的控制器，用于录取光伏虚拟同步发电机内部控制参数。该光伏虚拟同步发电机性能测试装置安装于现场，能够实现光伏虚拟同步发电机控制性能现场验证的目的。
Description
技术领域
本申请属于光伏虚拟同步发电机领域，尤其涉及一种光伏虚拟同步发电机性能测试装置及方法。
背景技术
现有技术中，光伏新能源发电设备不具备阻尼功率振荡、惯性调节、自主调压的能力，进而影响电网电压及频率的稳定性。通过在光伏发电单元上增加锂电池组或超级电容器组、逆变器等储能设备，使之具备类似同步机的惯性/阻尼、一次调频、电压调节等能力，抑制并网点电压频率及幅值变化率，增强并网点电网强度，能有效解决基于现有控制方式光伏在弱电网下运行稳定问题。
现有的光伏虚拟同步发电机通常采用建模的方式进行控制性能验证，验证结果与实际情况可能不同。
发明内容
本申请提供一种光伏虚拟同步发电机性能测试装置及方法，用于实现光伏虚拟同步发电机控制性能现场验证的目的，使控制结果精确可信。
本申请一技术方案提供的光伏虚拟同步发电机性能测试装置包括：信号发生器及录波仪；
信号发生器连接光伏虚拟同步发电机的控制器，用于输出模拟电网频率或电压的变化信号至光伏虚拟同步发电机的控制器；
录波仪连接电网，用于录取电网的电压信号及电流信号；录波仪还连接光伏虚拟同步发电机的控制器，用于录取光伏虚拟同步发电机内部控制参数。
本申请另一技术方案提供的光伏虚拟同步发电机性能测试方法包括：
安装上述实施例所述的光伏虚拟同步发电机性能测试装置；
设置测试项目及测试项目参数，控制信号发生器发出与测试项目相匹配的信号，在光伏虚拟同步发电机运行于小负荷、大负荷及限负荷工况下开启录波仪及信号发生器，根据录波仪各工况下录取的电网电压信号及电网电流信号计算相应工况下光伏虚拟同步发电机的控制性能指标。
通过本申请提供的光伏虚拟同步发电机性能测试装置及方法，能够在现场准确测试光伏虚拟同步发电机的控制性能指标是否满足需求，如调频/调压支撑能力是否满足电网需求，有功支撑幅值、控制误差、响应时间、调节时间等控制特性指标是否满足要求。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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为本申请一实施例的光伏虚拟同步发电机性能测试装置的结构图；
图2为本申请另一实施例的光伏虚拟同步发电机性能测试装置的结构图；
图3A-图3B为本申请一实施例的信号发生器与光伏虚拟同步发电机连接示意图；
图4A-图4C为本申请一实施例的信号发生器模拟电网频率变化示意图；
图5为本申请一实施例的信号发生器模拟电网电压变化示意图；
图6为本申请一实施例的光伏虚拟同步发电机控制器频率采样时间测试时的连接示意图；
图7为本申请一具体实施例的信号发生器模拟电网频率变化示意图；
图8为本申请一实施例的光伏虚拟同步发电机性能测试方法的流程图。
具体实施方式
为了使本申请的技术特点及效果更加明显，下面结合附图对本申请的技术方案做进一步说明，本申请也可有其他不同的具体实例来加以说明或实施，任何本领域技术人员在权利要求范围内做的等同变换均属于本申请的保护范畴。
在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“一具体实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
如图1所述，图1为本申请实施例的光伏虚拟同步发电机性能测试装置的机构图。该光伏虚拟同步发电机性能测试装置安装于现场，能够实现光伏虚拟同步发电机控制性能现场验证的目的。
具体的，光伏虚拟同步发电机性能测试装置包括：信号发生器101及录波仪102；
信号发生器101连接光伏虚拟同步发电机的控制器201，用于输出模拟电网频率变化信号或电压变化信号至光伏虚拟同步发电机的控制器201；
录波仪102连接电网301，用于录取电网的电压信号及电流信号；录波仪301还连接光伏虚拟同步发电机的控制器201，用于录取光伏虚拟同步发电机内部控制参数。
详细的说，光伏虚拟同步发电机的控制器包括DC/AC控制器和DC/DC控制器，信号发生器根据不同厂商的不同控制策略确定信号发生器的给定方式，信号发生器的给定方式包括：同时给DC/DA和DC/DC控制器，单给DC/AC控制器，及单给DC/DC控制器。
信号发生器可输出直流或交流电压信号，根据设定可自动改变交流电压信号的电压幅值、频率、电压幅值变化率、频率变化率，直流电压信号的电压幅值及电压幅值变化率。
录波仪可根据其录取的电网电压信号及电流信号计算光伏虚拟同步发电机的有功功率支撑幅值、响应时间、调节时间、控制误差、控制精度等控制性能指标，根据性能指标值判断光伏虚拟同步发电机的控制特性是否满足要求，若不满足要求，则证明光伏虚拟同步发电机存在缺陷，需进一步优化，根据录波仪录取的光伏虚拟同步发电机内部控制参数对光伏虚拟同步发电机进行优化。
本申请进一步实施例中，如图2所示，光伏虚拟同步发电机性能测试装置还包括光辐照度计103及报警器104。光辐照度计103连接录波仪102，用于测量光照强度，由录波仪102录取光辐照度计103测量的光照强度；报警器104连接录波仪102，由录波仪102判断光照强度变化是否符合预定要求，若判断结果为否，则控制报警器104报警，提示测试无效。
本申请进一步实施例中，信号发生器的输入分为两种类型。一种类型如图3A所示，信号发生器101连接光伏虚拟同步发电机控制器的锁相环202，用于发出三相交流电压信号。由该三相交流电压信号替换由电压互感器输入的二次侧三相电压信号(光伏虚拟同步发电机正常工作时接入的信号)，利用信号发生器改变三相交流电压信号的频率来模拟电网频率的变化，此方式适用于配置备用交流电压采集通道的光伏虚拟同步发电机。
另一种类型如图3B所示，信号发生器101直接连接光伏虚拟同步发电机的控制器201，用于发出一相直流电压信号。由该一相直流电压信号替换电压互感器输入的经锁相环处理后的直流电压信号，利用信号发生器改变直流电压信号的电压幅值来模拟电网电压变化，及通过设置电压信号与控制器频率信号的变比模拟电网频率变化，此方式适用于没有额外配置备用交流电压采集通道或采集通道已经占满的光伏虚拟同步发电机。
详细的说，利用信号发生器模拟电网频率变化的类型有两种：(1)频率谐波变化，如图4A所示，t0-t1、t2-t3、t4-t5、t6-t7时间段内的频率变化率根据测试需求进行设置，两次频率变化间隔可根据测试进行设置；频率设置值上下限f1和f2根据测试需求进行设置；(2)频率阶跃变化，如图4B所示，频率设置值上下限f1和f2根据测试需求进行设置，阶跃的时间间隔可根据测试需求进行设置，可连续进行频率的上下阶跃变化。
利用信号发生器模拟电网电压变化的类型有一种，电压阶跃变化，如图5所示，电压设置值上下限U1和U2根据测试需求进行设置，阶跃的时间间隔可根据测试需求进行设置，可连续进行电压幅值的上下阶跃变化。
本申请一实施例中，为了对光伏虚拟同步发电机控制器的频率采样时间进行测试，信号发生器101还直接连接录波仪102，用于输出三相交流电压信号至录波仪102，信号发生器101还通过光伏虚拟同步发电机控制器的锁相环201连接录波仪102，用于输出光伏虚拟同步发电机控制器锁相环计算的频率信号，如图6所示。根据录波仪录取的数据计算锁相环输出信号与信号发生器输出信号之间的时间差，详细的说，对于每一个频率阶梯过程中，计算经锁相环计算后的频率信号变化的初始时刻T0’与信号发生器输出信号变化的初始时刻为T0之间的差值T，即计算T＝T0′-T0。选取最大差值作为最终的频率采样时间。此实施例中计算光伏虚拟同步发电机响应时间、调节时间指标时应额外加上测得的频率采样时间。
本申请提供的光伏虚拟同步发电机性能测试装置安装于现场，能够实现光伏虚拟同步发电机控制性能现场验证的目的。
如图8所示，图8为本申请一实施例的光伏虚拟同步发电机性能测试方法的流程图。本实施例能够在现场准确测试光伏虚拟同步发电机的控制性能指标是否满足需求，如调频/调压支撑能力是否满足电网需求，有功支撑幅值、控制误差、响应时间、调节时间等控制特性指标是否满足要求。具体的，包括：
步骤810，安装上述任一实施例所述的光伏虚拟同步发电机性能测试装置；
步骤820：设置测试项目及测试项目参数，控制信号发生器发出与测试项目相匹配的信号，在光伏虚拟同步发电机运行于小负荷、大负荷及限负荷工况下开启录波仪及信号发生器，根据录波仪各工况下录取的电网电压信号及电网电流信号计算相应工况下光伏虚拟同步发电机的控制性能指标。
一些具体实施方式中，测试项目包括：虚拟惯量特性测试项目、一次调频特性测试项目、一次调频与虚拟惯量特性测试项目及调压测试项目。下面对这些测试项目进行详细说明：
(1)、虚拟惯量特性测试项目；
使能光伏虚拟同步发电机虚拟惯量功能，关闭光伏虚拟同步发电机一次调频功能；设置信号发生器发出频率斜坡变化信号，如图4A所示(频率变化率及时间间隔可根据试验需求进行设置)，设置惯性时间常数，在光伏虚拟同步发电机运行于大负荷(70％-90％Pn)、小负荷(20％-30％Pn)及限负荷(运行在大负荷工况，通过控制系统下达限功率的指令)工况下开启录波仪及信号发生器，根据录波仪各工况下录取的电网电压信号及电网电流信号计算相应工况下光伏虚拟同步发电机的控制性能指标；
(2)、一次调频特性测试项目；
使能光伏虚拟同步发电机一次调频功能，关闭光伏虚拟同步发电机虚拟惯量功能；设置信号发生器发出频率阶跃变化信号，如图4C所示(变化值可根据试验需求进行设置)，设置有功调频系数，在光伏虚拟同步发电机运行于小负荷、大负荷及限负荷工况下开启录波仪及信号发生器，根据录波仪各工况下录取的电网电压信号及电网电流信号计算相应工况下光伏虚拟同步发电机的控制性能指标；
(3)、一次调频+虚拟惯量特性测试项目；
使能光伏虚拟同步发电机虚拟惯量功能及一次调频功能；设置信号发生器发出频率阶跃变化信号和/或设置信号发生器发出频率斜坡变化信号，设置惯性时间常数及有功调频系数，在光伏虚拟同步发电机运行于小负荷、大负荷及限负荷工况下开启录波仪及信号发生器，根据录波仪各工况下录取的电网电压信号及电网电流信号计算相应工况下光伏虚拟同步发电机的控制性能指标；
(4)、调压特性测试项目；
设置信号发生器发出电压阶跃变化信号，如图5所示(电压阶跃的幅值可根据试验需求进行设定)，设置电压调节系数Kv，在光伏虚拟同步发电机运行于小负荷、大负荷及限负荷工况下开启录波仪及信号发生器，根据录波仪各工况下录取的电网电压信号及电网电流信号计算相应工况下光伏虚拟同步发电机的控制性能指标。
实施时，若信号发生器直接连接光伏虚拟同步发电机的控制器，在进行上述(1)至(4)测试之前还包括光伏虚拟同步发电机频率采样时间的测试项目。频率采样时间测试项目主要过程包括：
将信号发生器接入虚拟同步发电机的锁相环及录波仪，将虚拟同步发电机的锁相环接入录波仪，如图6所示；切断光伏虚拟同步发电机电源，设置信号发生器输出频率阶跃变化信号(如图7所示，每个阶梯持续时间(t0-t1)可根据测试需求进行设置，频率变化的阶梯可根据测试需求进行设置)，启动录波仪；计算录波仪录取的锁相环输出信号与信号发生器输出信号之间的时间差。详细的说，对于每一个频率阶梯过程中，计算经锁相环计算后的频率信号变化的初始时刻T0’与信号发生器输出信号变化的初始时刻为T0之间的差值T，即计算T＝T0′-T0。选取最大差值作为最终的频率采样时间。
一些实施方式中，各测试项目在光伏虚拟同步发电机运行于小负荷、大负荷及限负荷工况下开启录波仪及信号发生器进一步包括：
启动光伏虚拟同步发电机，待光伏虚拟同步发电机运行于小负荷工况时，开启录波仪及信号发生器，录波仪录波结束时关闭光伏虚拟同步发电机；
启动光伏虚拟同步发电机，待光伏虚拟同步发电机运行于大负荷工况时，开启录波仪及信号发生器，录波仪录波结束时关闭光伏虚拟同步发电机；
启动光伏虚拟同步发电机，待光伏虚拟同步发电机运行于限功率工况时，开启录波仪及信号发生器，录波仪录波结束时关闭光伏虚拟同步发电机。
一些实施方式中，为了保证测试的准确性，各测试项目进行测试时，还包括改变惯性时间常数、有功调频系数及电压调节系数，以重复多次测试。
本申请一实施例中，光伏虚拟同步发电机的控制性能指标包括：有功功率支撑幅值、有功控制误差、有功控制精度、启动时间、响应时间、调节时间。下面分别对这些控制性能指标进行详细说明。
(1)有功功率支撑幅值
有功功率支撑幅值ΔP为有功功率初始值P0与有功功率响应值P1的差。对于虚拟惯量测试项目，根据如下公式1计算有功功率支撑幅值ΔP，对于一次调频测试项目，根据如下公式2计算有功功率支撑幅值ΔP。
其中，TJ为虚拟同步发电机的惯性时间常数，fN为电网的额定频率，PN为虚拟同步发电机的额定功率，为电网的频率变化率，Kf为有功调频系数，Δf为电网的频率变化。
有功功率支撑幅值指标应满足公式3：
ΔP≥ΔP′ (公式3)
其中，ΔP′为有功功率支撑幅值目标值。
(2)有功控制误差
有功控制误差Pw根据如下公式4进行计算：
Pw＝ΔP-ΔP′ (公式4)
有功功率控制误差应满足公式5：
Pw≤n*PN (公式5)
其中，PN为光伏虚拟同步发电机的额定功率，数值n根据光伏虚拟同步发电机的特性或根据测试需求进行设置，建议为0.02。
(3)有功控制精度
有功控制精度Pj根据如下公式6进行计算：
Pj＝P1-(P0+ΔP′) (公式6)
其中，P1为有功功率响应值，P0有功功率初始值，ΔP′有功功率支撑幅值目标值。
有功控制精度Pj应满足公式7：
Pj≤m*ΔP (公式7)
ΔP为有功功率支撑幅值，数值m可根据光伏虚拟同步发电机的特性或根据测试需求进行设置，建议为0.05。
(4)启动时间
启动时间tq，即从频率或电压信号加入开始到有功或无功值变化k*ΔP所需时间，数值k可根据光伏虚拟同步发电机的特性或根据测试需求进行设置，建议为0.1。
启动时间tq应满足公式8。
tq≤t1 (公式8)
t1可根据光伏虚拟同步发电机的特性、测试项目或根据测试需求进行设置，一次调频功能启动时间建议为3s。
(5)响应时间
响应时间tx，即从频率或电压信号加入开始到有功变化或无功值变化l*ΔP所需时间，数值l可根据光伏虚拟同步发电机的特性或根据测试需求进行设置，建议为0.9。
响应时间tx应满足公式9：
tx≤t2 (公式9)
t2可根据光伏虚拟同步发电机的特性、测试项目或根据测试需求进行设置，每一项试验项目的限值不同。一次调频功能响应时间建议为12s，惯量功能响应时间建议为500ms。
(6)调节时间
调节时间tt即从频率或电压信号加入开始到有功控制精度Pj满足要求的最短时间。
调节时间tt应满足公式10：
tt≤t3 (公式10)
t3可根据光伏虚拟同步发电机的特性、测试项目或根据测试需求进行设置，每一项试验项目的限值不同。一次调频功能响应时间建议为30s。
若如上评价指标值不满足对应的评价公式，则根据录波仪录取的同步机内部控制参数信号分析控制缺陷。
通过本申请提供的光伏虚拟同步发电机性能测试装置及方法，能够在现场准确测试光伏虚拟同步发电机的控制性能指标是否满足需求，如调频/调压支撑能力是否满足电网需求，有功支撑幅值、控制误差、响应时间、调节时间等控制特性指标是否满足要求。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅用于说明本申请的技术方案，任何本领域普通技术人员均可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本申请的权利保护范围应视权利要求范围为准。
Claims (10)
1.一种光伏虚拟同步发电机性能测试装置，其特征在于，包括：信号发生器及录波仪；
信号发生器连接光伏虚拟同步发电机的控制器，用于输出模拟电网频率变化信号或电压变化信号至光伏虚拟同步发电机的控制器；
录波仪连接电网，用于录取电网的电压信号及电流信号；录波仪还连接光伏虚拟同步发电机的控制器，用于录取光伏虚拟同步发电机内部控制参数，
其中，信号发生器还直接连接录波仪，用于输出三相交流电压信号至录波仪；
信号发生器还通过光伏虚拟同步发电机控制器的锁相环连接录波仪，用于输出锁相环计算的频率信号，
其中，在对所述光伏虚拟同步发电机控制器的频率采样时间进行测试时，针对每个频率阶梯过程，确定对应的所述锁相环计算的频率信号和由所述录波仪从直接相连的信号发生器确定的信号发生器输出信号之间的时间差，得到多个所述时间差；从多个所述时间差中确定最大的时间差作为测得频率采样时间，以用于在计算所述光伏虚拟同步发电机响应时间和调节时间指标时加上所述测得频率采样时间。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括光辐照度计及报警器；
光辐照度计连接录波仪，用于测量光照强度，由录波仪录取光辐照度计测量的光照强度；
报警器连接录波仪，由录波仪判断光照强度变化是否符合预定要求，若判断结果为否，则控制报警器报警。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，信号发生器连接光伏虚拟同步发电机控制器的锁相环，用于发出三相交流电压信号。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，信号发生器直接连接光伏虚拟同步发电机的控制器，用于发出一相直流电压信号。
5.一种基于权利要求1至4任一项所述的光伏虚拟同步发电机性能测试装置的光伏虚拟同步发电机性能测试方法，其特征在于，包括：
设置测试项目及测试项目参数，控制信号发生器发出与测试项目相匹配的信号；
在光伏虚拟同步发电机运行于小负荷、大负荷及限负荷工况下开启录波仪及信号发生器；
根据录波仪各工况下录取的电网电压信号及电网电流信号计算相应工况下光伏虚拟同步发电机的控制性能指标。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述测试项目包括：虚拟惯量特性测试项目、一次调频特性测试项目、一次调频与虚拟惯量特性测试项目及调压测试项目；
进行虚拟惯量特性测试项目时，使能光伏虚拟同步发电机虚拟惯量功能，关闭光伏虚拟同步发电机一次调频功能，设置信号发生器发出频率斜坡变化信号，设置惯性时间常数；
进行一次调频特性测试项目时，使能光伏虚拟同步发电机一次调频功能，关闭光伏虚拟同步发电机虚拟惯量功能，设置信号发生器发出频率阶跃变化信号，设置有功调频系数；
进行一次调频与虚拟惯量特性测试项目时，使能光伏虚拟同步发电机虚拟惯量功能及一次调频功能，设置信号发生器发出频率阶跃变化信号和/或设置信号发生器发出频率斜坡变化信号，设置惯性时间常数及有功调频系数；
进行调压测试项目时，设置信号发生器发出电压阶跃变化信号，设置电压调节系数。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述光伏虚拟同步发电机的控制性能指标包括有功功率支撑幅值、有功控制误差、有功控制精度、启动时间、响应时间、调节时间中的一个或多个。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括：判断计算得到的性能指标值是否满足相应的预定要求，若不满足，则根据录波仪录取的同步机内部控制参数信号分析控制缺陷。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，若信号发生器直接连接光伏虚拟同步发电机的控制器，则将信号发生器接入虚拟同步发电机的锁相环及录波仪，将虚拟同步发电机的锁相环接入录波仪；
切断光伏虚拟同步发电机电源，设置信号发生器输出频率阶跃变化信号，启动录波仪；
计算录波仪录取的锁相环输出信号与信号发生器输出信号之间的时间差。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括改变惯性时间常数、有功调频系数及电压调节系数，以重复多次测试。
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2018
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Patent Citations (7)
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|---|
| 基于LabVIEW的虚拟同步发电机监控与实验平台设计;王刚;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》;20160215(第02期);C042-144 * |
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