CN109783900A - 新能源多风场实时在线建模系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新能源多风场实时在线建模系统及方法，该系统包括：上位机、实时数字仿真仪RTDS、GBH模块、交换机模块，所述实时数字仿真仪中包含有多个RACK；RACK与GBH模块之间通过仿真同步光纤和数据传输光纤通信连接；所述交换机模块用于执行上位机与各个RCAK之间的编译文件的发送和接收。本发明通过合理配置RACK信息，最终实现多个RACK之间的计算同步与数据共享，共同完成风场级别的RTDS建模工作；并通过合理分配RTDS实时数字仿真器的计算资源，实现多风场的实时仿真建模。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体地，涉及新能源多风场实时在线建模系统及方法。
背景技术
能源是经济和社会发展的重要物质基础，随着世界范围内的能源短缺，可再生能源产业，如风力发电、光伏发电等技术的开发应用已成为各类能源中发展最为快速的热点领域。
目前，关于风力发电的仿真验证绝大部分都采用非实时的离线(off-line)计算机仿真软件，其操作简单，对计算机的计算性能要求不高。但是，由于离线计算机仿真软件的计算能力欠缺，从而导致离线仿真无法实时对仿真系统进行实验验证，而实际仿真时间往往数十倍甚至数百倍于仿真系统设定的时间，实验效率低下。同时完整的项目实施规定了在投入运行之前需要对电网、电气设备及继电保护装置等进行实时测试，以验证设备、保护及其控制系统能否满足实际电网运行的要求，因此有必要针对风力发电技术进行实时的在线(on-line)数字仿真验证。
在变流器的实时电磁暂态分析中，目前大量使用的是由加拿大曼尼托巴公司开发制造的“实时数字仿真仪(Real Time Digital Simulator，RTDS)”，RTDS主要的仿真处理器(PB5)集成在以机柜(RACK)为单位的集成系统中，从而实现硬件的模块化管理。目前针对RTDS数字实时仿真器的风力发电的研究建模大部分都是基于单机的仿真建模，因此RTDS能够充分发挥其出色的计算能力，达到“实时仿真”的效果，但是目前很少有研究关于使用RTDS进行多风机、多风场的实时数字仿真建模。主要的困难在于单台RTDS能够出色的完成单机建模，但是当建模对象上升到风场，每一个风场中均包含上百台的风机，因此需要解决多RACK之间的联合仿真以及资源合理分配的问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种新能源多风场实时在线建模系统及方法。
第一方面，本发明提供的一种新能源多风场实时在线建模系统，包括：上位机、实时数字仿真仪、GBH模块、交换机模块，所述实时数字仿真仪中包含有多个RACK；RACK与GBH模块之间通过仿真同步光纤和数据传输光纤通信连接；所述交换机模块用于执行上位机与各个RCAK之间的编译文件的发送和接收。
可选地，每个RACK的ip地址均在同一个网段中，且每个RACK的网口引出的网线连接到同一个交换机模块的局域网端口(LAN口)，所述上位机网口引出的网线连接至所述交换机模块的LAN口。
可选地，所述实时数字仿真仪的每个RACK包括：若干个PB5处理器和一个GTWIF接口卡；其中：所述PB5处理器用于执行实时仿真计算，所述GTWIF接口卡用于完成多个RACK之间的仿真同步与数据传输。
可选地，所述上位机安装的RSCAD仿真软件中加载有RTDS多风场模型；所述RTDS多风场模型包括：新能源单机建模模块、倍乘变压器模块、架空线模块、跨RACK传输线模块；其中：
所述新能源单机建模模块：用于根据实际的新能源基地的设计情况搭建对应的单机模型，所述单机模型包括：双馈风力发电机模型、全功率风力发电机模型、光伏电站模型；
所述倍乘变压器模块：用于将单机模型的输出功率进行倍乘处理；
所述架空线模块：用于实现单个RACK中不同风电场或者光伏电站之间的物理连接；
所述跨RACK传输线模块：连接不同RACK中的新能源电站。
可选地，所述RTDS多风场模型还包括：风电场的风速给定模块、风电站的有功功率和无功功率设置模块，用于在仿真的过程中调整风速、给定有功功率和给定无功功率。
第二方面，本发明提供一种新能源多风场实时在线建模方法，应用在如第一方面中任一项所述的新能源多风场实时在线建模系统中，所述方法包括：
在上位机的模型界面中编译构建的RTDS多风场模型；
在上位机的监控界面中启动对RTDS多风场模型的仿真；
在观察到风电正常启动，且有功功率、无功功率、电网频率、并网点电压均保持稳定之后；在上位机监控界面中调整风速、给定有功功率和给定无功功率，以实现对整个风电场的动态控制。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明提供的新能源多风场实时在线建模方法，针对具有多风场的新能源基地，通过合理配置RACK信息，最终实现多个RACK之间的计算同步与数据共享，共同完成风场级别的RTDS建模工作；并通过合理分配RTDS实时数字仿真器的计算资源，实现多风场的实时仿真建模。
2、本发明通过将临近的风电场分配在同一个RACK中解决了从新能源基地物理拓扑到仿真模型电气拓扑的过渡问题，为风电场级别的仿真奠定基础。
3、本发明通过合理配置处理器解决了处理器资源不足的问题，在RTDS实时数字仿真器中首次成功实现了多风场新能源基地的实时在线仿真。
4、本发明通过跨RACK传输线解决了多RACK之间联合仿真的问题，从单机的仿真上升到风场级别的仿真。
5、本发明实现风电场级别的实时数字仿真。系统仿真时间和真实时间始终保持同步，克服离线仿真的诸多弊端，提高实验效率，为风电场的实际运行与测试提供实时数字仿真与验证。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为多RACK联合仿真硬件连接拓扑图；
图2为RTDS单风场/光伏电站模型的原理示意图；
图3为RACK#2中的新能源电站模型的原理示意图；
图4为RACK#1中新能源电站模型的原理示意图；
图5为张北新能源基地RACK#1的仿真结果示意图；
图6为张北新能源基地RACK#2-RACK#4的仿真结果示意图；
图7为康宝新能源基地RACK#1的仿真结果示意图；
图8为康宝新能源基地RACK#2-RACK#4的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供的新能源多风场实时在线建模方法，可以包括如下步骤：
步骤1：构建多RACK联合实时仿真平台。
本实施例中，所述多RACK联合实时仿真平台包括：上位机、实时数字仿真仪RTDS、GBH通用总线集线器模块(Global Bus Hub)、交换机模块，所述实时数字仿真仪中包含有多个RACK；RACK与GBH模块之间通过仿真同步光纤和数据传输光纤通信连接；所述交换机模块用于执行上位机与各个RCAK之间的编译文件的发送和接收。
需要说明的是，为实现多RACK之间的联合仿真，首先必须保证网络通信的畅通，因此必须保证每一个RACK的ip地址均在同一个网段中，并将每一个RACK的网口引出的网线连接到同一个交换机的LAN口，并将上位机网口引出的网线同样连接至该交换机的LAN口。
实时数字仿真仪的每一个RACK由若干个PB5处理器和一个工作站接口卡(GigabitTransceiver Workstation Interface Card,GTWIF)组成。PB5处理器主要负责模型的实时仿真计算，GTWIF接口卡主要负责多个RACK之间的仿真同步与数据传输。其中，GTWIF接口卡由GBH连接端口、层间通讯卡(Gigabit TransceiverInter-Rack Communication Card,GTIRC)以及网线端口组成，负责多个RACK之间的仿真同步与数据传输。
GBH模块主要负责实现多个RACK之间的仿真同步，因此需要使用仿真同步光纤线将每一个RACK中的GTWIF接口卡和GBH的光纤口连接。
图1为多RACK联合仿真硬件连接拓扑图，参见图1，使用网线将n个RACK以及上位机连接到同一个交换机的LAN口；然后使用仿真同步光纤线连接GBH和每一个RACK中GTWIF接口卡的GBH端口；使用数据传输光纤线使得n个RACK中GTWIF接口卡的GTIRC端口两两互联。
步骤2：基于所述RACK联合仿真平台，构建RTDS多风场模型。
本实施例中，RTDS多风场模型搭建在上位机的RTDS专用的仿真软件-RSCAD中，所述RTDS多风场模型包括：新能源单机建模模块、倍乘变压器模块、架空线模块、跨RACK传输线模块；其中：
新能源单机建模模块：用于针对实际的新能源基地的设计情况搭建对应的单机模型，所述单机模型包括：双馈风力发电机模型、全功率风力发电机模型、光伏电站模型等。
倍乘变压器模块：用于将单机模型(双馈风力发电机、全功率风力发电机、光伏发电模块)实现输出功率的倍乘，从而实现从单机到风电场的功率倍乘。
架空线模块：用于实现单个RACK中不同风电场或者光伏电站之间的物理连接。
跨RACK传输线模块：连接不同RACK中的新能源电站。(由于本实施例中涉及到多个RACK之间的联合仿真，因此需要使用跨RACK传输线)。
可选地，本实施例中，单机模型包括：风力发电机或光伏发电站的单机模型以及各自的控制系统模块；倍乘变压器模块包括：倍乘变压器的原边、副边以及和每一个倍乘变压器配套对应的计算模块；架空线模块包括：架空线网侧模块(受端模块)、架空线风场侧模块(送端模块)；跨RACK传输线模块包括两个不同RACK中的送端模块以及受端模快。
具体地，图2为RTDS单风场/光伏电站模型的原理示意图；图3为RACK#2中的新能源电站模型的原理示意图；图4为RACK#1中新能源电站模型的原理示意图。参见图2-图4，每一个RACK中的新能源基地模型以及不同RACK之间的连接：根据实际要求将不同的风电场、光伏电站分配到对应的RACK中；利用架空线将每一个RACK中的新能源电站连接到对应的汇集点；最终利用跨RACK传输线实现多RACK联合仿真。
步骤3：根据RTDS多风场模型，实现多风场的在线仿真，得到对应的仿真结果。
具体地，根据实际的建设规划，张北新能源基地包括16个风电场/光伏电站，风电、光伏装机比例为1.37:1，将16个风电场配置到四个不同的RACK中，每一个RACK进行4个新能源场的计算仿真工作。康宝新能源基地包括13个风电场/光伏电站，风电、光伏装机比例为1.33:1，同样将13个风电场配置到四个不同的RACK中。
详细的RACK分配如表1所示：
表1张北能源基地RACK分配表
表2康宝新能源基地RACK分配表
主要的建模操作如下：
1)模型编译：在上位机的模型界面中编译张北-康宝风电基地的RTDS模型。
2)启动仿真：在上位机的监控界面中启动仿真，观察到风电正常启动，有功功率、无功功率、电网频率、并网点电压均保持稳定。
3)动态修改控制参数：在上位机监控界面中还包括风电场的风速给定模块、风电场以及光伏电站的有功功率和无功功率指定的设置模块，可以在仿真的过程中动态修改风速、有功功率给定和无功功率给定，实现对整个风电场的动态控制。
具体地，图5为张北新能源基地RACK#1的仿真结果示意图；图6为张北新能源基地RACK#2-RACK#4的仿真结果示意图；图7为康宝新能源基地RACK#1的仿真结果示意图；图8为康宝新能源基地RACK#2-RACK#4的仿真结果示意图。
本发明提供的新能源多风场实时在线建模方法，针对单个RACK中的风场模型进行合理的优化配置，尽可能降低仿真步长，提高仿真精度。从硬件方面分析，RTDS的每一个RACK中都包含若干个PB5处理器，从系统建模角度分析，风场模型的每一个RACK中都包含3-4个风电场，因此需要合理地将3-4个风电场分配到不同的PB5处理器中，减少每一个PB5处理器的计算负担，从而能够降低仿真步长，提高仿真精度。利用倍乘变压器元件实现从单机到风场的功率等级变换；从风力发电的单机建模到风场建模是本专利的主要研究方向之一。在实现了RTDS单机建模的基础之上，本发明使用了倍乘变压器，能够人工设置变压器的功率倍乘放大系数，从而能够实现从单机建模仿真到风电场建模仿真的功率等级放大。
需要说明的是，本发明提供的所述新能源多风场实时在线建模方法中的步骤，可以利用新能源多风场实时在线建模系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (6)
1.一种新能源多风场实时在线建模系统，其特征在于，包括：上位机、实时数字仿真仪、GBH模块、交换机模块，所述实时数字仿真仪中包含有多个RACK；RACK与GBH模块之间通过仿真同步光纤和数据传输光纤通信连接；所述交换机模块用于执行上位机与各个RCAK之间的编译文件的发送和接收。
2.根据权利要求1所述的新能源多风场实时在线建模系统，其特征在于，每个RACK的ip地址均在同一个网段中，且每个RACK的网口引出的网线连接到同一个交换机模块的局域网端口，所述上位机网口引出的网线连接至所述交换机模块的LAN口。
3.根据权利要求1所述的新能源多风场实时在线建模系统，其特征在于，所述实时数字仿真仪的每个RACK包括：若干个PB5处理器和一个GTWIF接口卡；其中：所述PB5处理器用于执行实时仿真计算，所述GTWIF接口卡用于完成多个RACK之间的仿真同步与数据传输。
4.根据权利要求1所述的新能源多风场实时在线建模系统，其特征在于，所述上位机安装的RSCAD仿真软件中加载有RTDS多风场模型；所述RTDS多风场模型包括：新能源单机建模模块、倍乘变压器模块、架空线模块、跨RACK传输线模块；其中：
所述新能源单机建模模块：用于根据实际的新能源基地的设计情况搭建对应的单机模型，所述单机模型包括：双馈风力发电机模型、全功率风力发电机模型、光伏电站模型；
所述倍乘变压器模块：用于将单机模型的输出功率进行倍乘处理；
所述架空线模块：用于实现单个RACK中不同风电场或者光伏电站之间的物理连接；
所述跨RACK传输线模块：连接不同RACK中的新能源电站。
5.根据权利要求4所述的新能源多风场实时在线建模系统，其特征在于，所述RTDS多风场模型还包括：风电场的风速给定模块、风电站的有功功率和无功功率设置模块，用于在仿真的过程中调整风速、给定有功功率和给定无功功率。
6.一种新能源多风场实时在线建模方法，其特征在于，应用在如权利要求1-5中任一项所述的新能源多风场实时在线建模系统中，所述方法包括：
在上位机的模型界面中编译构建的RTDS多风场模型；
在上位机的监控界面中启动对RTDS多风场模型的仿真；
在观察到风电正常启动，且有功功率、无功功率、电网频率、并网点电压均保持稳定之后；在上位机监控界面中调整风速、给定有功功率和给定无功功率，以实现对整个风电场的动态控制。
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