CN111221263A - 海上全功率风电变流器半实物仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海上全功率风电变流器半实物仿真系统，包括：上位机、实时仿真单元和实物控制单元。上位机用于输入风电变流器的仿真参数，并输出仿真控制指令。实时仿真单元存储有风电变流器的主电路模型，用于在当前仿真步长内根据仿真控制指令对主电路模型进行仿真，向实物控制单元输出对应当前仿真步长的第一信号，并根据实物控制单元反馈的对应当前仿真步长的第二信号，对主电路模型进行下一仿真步长的仿真。实物控制单元用于根据本地存储的控制算法和逻辑算法对对应当前仿真步长的第一信号进行处理，将处理结果作为对应当前仿真步长的第二信号，并将该第二信号反馈给实时仿真单元，以使实时仿真单元根据该第二信号进行下一仿真步长的仿真。

Description

海上全功率风电变流器半实物仿真系统

技术领域

本发明涉及电力电子系统半实物仿真技术领域，尤其涉及一种海上全功率风电变流器半实物仿真系统。

背景技术

在所有新能源中，风能是世界上公认的技术最成熟的绿色能源。风力发电包括陆上风力发电和海上风力发电。由于海上风速比陆地、岸边要高，且海上很少有静风期，使得海上风力发电能够更有效的利用风电机组的容量，因此，海上风电技术正在快速发展。

作为电能转换的重要设备，变流器是风电机组不可或缺的一部分。由于工作环境的不同，海上风电机组用变流器相对于陆上风电变流器，其生命周期内各个阶段的环境应力更多更复杂。并且，由于风速范围更宽，海上风电变流器工况具有负载突变严重、响应速度和可靠性要求非常高的特点。同时，在对变流器进行调试时，电机参数不完全准确、调试时间短、调试成本高、行业影响大等这些不确定因素会对变流环节的性能形成严峻考验。为了保证海上风电变流器的控制系统安全可靠，控制器的开发必须基于严格的试验基础。然而，又由于海上风电机组运行环境的特殊性与复杂性，在海上风电变流器的开发和研究中，极其缺乏一整套易于操作的用于实现设计、分析和验证等多项功能的平台。

在现有技术中，通常采用以下两种方式来解决这个问题：

1、在真实的海上风电机组上进行验证研究；

2、软件模拟实验。

在真实的海上风电机组上进行验证研究是一种最能反映真实工况的方式，利用这种方式获得的数据真实可靠，但是投资巨大，而且还会面临试验中对机组其他设备的损耗，具有一定的危险性，并且存在静风期，导致验证机会减少，效率极其低下，不适合用于风电变流器的科学研究。

目前针对风电变流器的仿真方法通常是采用模拟软件分别对风力发电机、传动系统及负载等组成部分进行建模，但这些器件的参数均通过理想模型推导而得，不能完全与实际风力环境下的状态相符。此外，由于模型采用软件运行，无法准确反映控制信号传输迟滞等影响因素的存在，仿真结果会与实际情况有一定的偏差，从而影响仿真的真实性和准确度。

此外，由于CPU的处理能力有限，需要顺序执行工作原理中描述的事件，存在脉冲采样计算延迟、解算步长受限(现有技术一般最快为25μs)等缺陷，从而影响模型解算的精度和稳定性。

因此，如何充分考虑海上风电机组的系统参数和性质的特性，搭建出一套完整、可行、准确、廉价的仿真测试平台，以实现对海上全功率风电变流器进行实时仿真，一直是相关技术人员致力解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：现有技术中缺乏一套完整、可行、准确、廉价的用于实现对海上全功率风电变流器进行实时仿真的仿真测试平台。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种海上全功率风电变流器半实物仿真系统，包括：

上位机，用于输入海上全功率风电变流器的仿真参数，并输出仿真控制指令；

实时仿真单元，与所述上位机连接，所述实时仿真单元存储有海上全功率风电变流器的主电路模型，用于在当前仿真步长内根据所述仿真控制指令对所述主电路模型进行仿真，向实物控制单元输出对应当前仿真步长的第一信号，并根据实物控制单元反馈的对应当前仿真步长的第二信号，对所述主电路模型进行下一仿真步长的仿真；

所述实物控制单元，与所述实时仿真单元连接，用于根据本地存储的控制算法和逻辑算法对所述对应当前仿真步长的第一信号进行处理，将处理结果作为对应当前仿真步长的第二信号，并将该第二信号反馈给所述实时仿真单元，以使所述实时仿真单元根据该第二信号进行下一仿真步长的仿真。

在本发明一优选实施例中，所述实时仿真单元包括：中央处理器CPU板卡和现场可编程门阵列FPGA板卡，所述海上全功率风电变流器的主电路模型设置于所述FPGA板卡中。

在本发明一优选实施例中，所述CPU板卡与所述FPGA板卡通过PCIE总线连接。

在本发明一优选实施例中，所述上位机与所述实时仿真单元通过所述CPU板卡进行数据交互。

在本发明一优选实施例中，所述上位机与所述CPU板卡通过TCP/IP协议进行数据交互。

在本发明一优选实施例中，所述海上全功率风电变流器的主电路模型由所述上位机来构建、编译及下载。

在本发明一优选实施例中，该系统还包括：信号转换单元，其连接在所述FPGA板卡与所述实物控制单元之间，用于将所述实时仿真单元在当前仿真步长内输出的第一信号转换为所述实物控制单元能够识别的电信号，提供给所述实物控制单元，并用于将所述实物控制单元在当前仿真步长内输出的第二信号转换为所述实时仿真单元能够识别的信号，并提供给所述实时仿真单元。

在本发明一优选实施例中，所述信号转换单元通过数据总线与所述FPGA板卡和所述实物控制单元连接。

在本发明一优选实施例中，所述信号转换单元为I/O板。

在本发明一优选实施例中，所述实时仿真单元还预留有多个I/O接口，以供其他类型的变流器进行半实物仿真时使用。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明实施例提供的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，摒弃了昂贵的纯实物平台，避免了纯仿真平台运行结果的可靠性、准确性、实时性有限的缺点，实现一整套成本低、易于操作的硬件在回路仿真平台，使得仿真软件中搭建的系统和硬件系统实现无缝连接。该系统能够完全满足海上全功率风电变流器产品各项软件(控制软件和逻辑软件)功能的测试要求，大大降低了海上全功率风电变流器产品开发对试验资源的依赖程度，实现了对海上全功率风电变流器功能的实时测试，降低了产品的实验成本。

本发明实施例提供的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，可为海上全功率风电变流器产品的分析、设计和改进提供有效的手段和工具，为售前方案、售后调试提供有力的数据支撑，并达到了快速响应市场需求、准确定位电传动系统特点的目的。因此，该系统可灵活地应用于研究机构开发风电变流器设备，也可用于风电机组或其他型号变流器产品的设计和测试，有效节约了实验资源。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例的海上全功率风电变流器半实物仿真系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的海上全功率风电变流器半实物仿真系统的数据交互示意图；

图3为本发明实施例的海上全功率风电变流器的主电路模型的组成结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

为解决现有技术中缺乏一套完整、可行、准确、廉价的用于实现对海上全功率风电变流器进行实时仿真的仿真测试平台的技术问题，本发明实施例提供了一种海上全功率风电变流器半实物仿真系统。

本发明提出的海上全功率风电变流器半实物仿真系统采用实际控制器+虚拟仿真对象＝硬件在回路(HIL)仿真系统的模式构建，用于海上全功率风电变流器控制器软件硬件的设计和测试，能够有效节约试验成本和缩短开发周期。

图1为本发明实施例的海上全功率风电变流器半实物仿真系统的整体结构示意图，图2为本发明实施例的海上全功率风电变流器半实物仿真系统的数据交互示意图。

如图1和图2所示，本发明实施例的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，主要包括：上位机100、实时仿真单元200、以及实物控制单元300。

上位机100用于输入海上全功率风电变流器的仿真参数，并输出仿真控制指令和仿真模型需要实时观测的关键参数数据波形。

此外，上位机100还用于构建并编译海上全功率风电变流器的主电路模型、将所述主电路模型下载到实时仿真单元200中、以及对整个仿真过程的数据进行实时监控。

本发明使用上位机来构建、编译和下载主电路模型，具有建模方便、易于修改调试等优点。

实时仿真单元200与上位机100连接，实时仿真单元200存储有海上全功率风电变流器的主电路模型，用于在当前仿真步长内根据仿真控制指令对主电路模型进行仿真，向实物控制单元300输出对应当前仿真步长的第一信号，并根据实物控制单元300反馈的对应当前仿真步长的第二信号，对主电路模型进行下一仿真步长的仿真。

在本发明一优选实施例中，实时仿真单元200包括：中央处理器CPU板卡201和现场可编程门阵列FPGA板卡202，海上全功率风电变流器的主电路模型设置于FPGA板卡202中。

优选地，CPU板卡201与FPGA板卡202通过PCIE总线连接。

优选地，上位机100与实时仿真单元200通过CPU板卡201进行数据交互。

优选地，上位机100与CPU板卡201通过TCP/IP协议进行数据交互。

由于PCIE属于高速串行点对点双通道高带宽传输，所连接的设备分配独享通道带宽，不共享总线带宽，因此，本发明大大提高了CPU板卡与FPGA板卡之间的数据传输速率。

由此可见，本发明充分考虑了海上全功率风电变流器具有功率等级高、主电路拓扑复杂、控制频率高、仿真模型运行实时性要求高等特点，采用串行处理模式的CPU板卡+并行处理模式的FPGA板卡的方式来构建实时仿真单元，且采用全并行处理模式来运行主电路模型。这种方式不仅能够全面支持Simulink模型库建模并实现无缝下载，仿真调试及监控均十分方便灵活，而且能够有效避免串行处理带来的脉冲采样计算延迟、解算步长受限等问题，可将主电路模型的运算速率提高至0.1μs，大大缩短了运算周期，并提高了模型计算精度，具有仿真计算能力强、实时仿真精度高的独特优势，适用于具有高开关频率周期和数据交互处理速度要求高的系统。

在本发明一优选实施例中，实时仿真单元200还预留有多个I/O接口，以供其他类型的变流器进行半实物仿真时使用，使本发明的仿真测试平台具有可拓展性。

实物控制单元300是海上全功率风电变流器的控制器，一般称为DCU(DriveControl Unit，传动控制单元)或TCU(Traction Control Unit，牵引控制单元)，其核心任务是根据上位机100输出的仿真控制指令完成对海上全功率风电变流器的实时控制。实物控制单元300同时还可以具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。

实物控制单元300与实时仿真单元200连接，用于根据本地存储的控制算法和逻辑算法对对应当前仿真步长的第一信号进行处理，将处理结果作为对应当前仿真步长的第二信号，并将该第二信号反馈给实时仿真单元200，以使实时仿真单元200根据该第二信号进行下一仿真步长的仿真。

在本发明一优选实施例中，该海上全功率风电变流器半实物仿真系统还包括：信号转换单元400，其连接在FPGA板卡202与实物控制单元300之间，用于将实时仿真单元200在当前仿真步长内输出的第一信号转换为实物控制单元300能够识别的电信号，提供给实物控制单元300，并用于将实物控制单元300在当前仿真步长内输出的第二信号转换为实时仿真单元200能够识别的信号，并提供给实时仿真单元200。其中，电信号包括数字电信号和模拟电信号。

优选地，信号转换单元400通过数据总线与FPGA板卡202和实物控制单元300连接。

优选地，信号转换单元400为I/O板。

图3为本发明实施例的海上全功率风电变流器的主电路模型的组成结构示意图。

如图3所示，海上全功率风电变流器的主电路按照拓扑结构和功能划分为以下八个部分：

电网模型：用于为海上全功率风电变流器提供基波电压的幅值、频率、相位可调的供电电源，并可为风电变流器进行电压跌落、电压抬升、电压不平衡、电压幅值频率波动、电网电压谐波等工况下的功能验证提供相应的电网电源。

并网变压器模型：其包括三相电源、接触器、三相变压器、不控整流桥、充电电阻，用于将风电机组发出的690V电压升压至10kV或35kV，以馈入电网。

网侧滤波器模型：其包括网侧断路器和三相LC滤波电路，用于抑制变流器开关频率附近的高次谐波。

网侧变流器模型：其包括三电平变流器和高频吸收电路，通过调节网侧的dq轴电流，保持直流侧电压稳定，实现有功和无功的解耦控制，控制流向电网模型的无功功率，通常运行在单位功率因数状态。

中间回路模型：其包括支撑电容、斩波电路、固定放电电路和接地开关，其回路中储能元件(电容器或电抗器)用于缓冲电机模型和中间回路模型中的无功能量。

机侧变流器模型：其包括三电平变流器和高频吸收电路，其主要功能是整流，用于调节定子侧的dq轴电流，实现转速调节及电机励磁与转矩的解耦控制，使电机模型运行在变速恒频状态，在额定风速以下具有最大风能捕获功能。

机侧滤波器模型：其包括三相LC滤波器和机侧断路器，用于防止IGBT功率模块的尖峰电压传输至发电机绕组，造成损害。

永磁同步电机模型：其包含永磁同步电机和线缆，用于模拟海上全功率风电机组中所用电机，将风能(机械能)转化为电能。

需要说明的是，上述八个模型的具体建模方法需根据实际情况来确定，在此不做具体限定。

此外，还需要说明的是，本发明的海上全功率风电变流器半实物仿真系统能够适用于不同风电变流器的控制器，通用性强。

为了便于理解本发明的技术方案，下面参考图2对本发明实施例提供的海上全功率风电变流器半实物仿真系统的工作原理进行简要描述。

工作人员在上位机100中输入海上全功率风电变流器的仿真参数，并输出开始仿真指令。此时，上位机100即通过TCP/IP协议将该仿真参数和开始仿真指令传输给实时仿真单元200的中央处理器CPU板卡201，CPU板卡201再通过PCIE总线将该仿真参数和开始仿真指令传输给现场可编程门阵列FPGA板卡202。随后，FPGA板卡202便在当前仿真步长内开始对海上全功率风电变流器的主电路模型进行仿真，输出对应当前仿真步长的第一信号，并通过数据总线将该第一信号传输给信号转换单元400。信号转换单元400在将该第一信号转换为对应的电信号后，将该电信号通过数据总线传输给实物控制单元300。实物控制单元300利用其本地存储的控制算法和逻辑算法对该电信号进行处理，将处理结果作为对应当前仿真步长的第二信号，并将该第二信号经由数据总线传输给信号转换单元400。信号转换单元400在将该第二信号转换为实时仿真单元200能够识别的信号后，将该信号经由数据总线传输给实时仿真单元200。实时仿真单元200根据实物控制单元300反馈的该信号，对主电路模型进行下一仿真步长的仿真。如此反复执行上述操作，直至上位机100发出停止仿真指令后，实时仿真单元200才结束对海上全功率风电变流器的主电路模型的仿真，从而实现整个闭环控制系统的仿真测试。

需要说明的是，若工作人员需要监控每个仿真步长的仿真数据，实时仿真单元200在接收到实物控制单元300反馈的信号后，还需通过中央处理器CPU板卡201将该信号反馈给上位机100。

需要说明的是，若在一段时间内总是使用相同的仿真参数进行仿真，则可以将该仿真参数作为电气参数默认值，并将其预先存储在主电路模型中。在此情况下，上位机100在发出开始仿真指令后，实时仿真单元200便使用该仿真参数对主电路模型进行仿真，大大增加了仿真测试平台的便利性。

在对海上全功率风电变流器的主电路模型进行故障响应测试时，若实物控制单元300检测到实时仿真单元200在当前仿真步长内输出的第一信号超出了预设阈值范围，则判定主电路模型出现故障。此时，实物控制单元300发出故障保护控制指令，并通过信号转换单元400将该指令传输给实时仿真单元200，实时仿真单元200在接收到该指令后，执行相应保护动作，并将实时仿真数据反馈给上位机100，以便设计人员进行故障分析。

本发明实施例提供的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，摒弃了昂贵的纯实物平台，避免了纯仿真平台运行结果的可靠性、准确性、实时性有限的缺点，实现一整套成本低、易于操作的硬件在回路仿真平台，使得仿真软件中搭建的系统和硬件系统实现无缝连接。该系统能够完全满足海上全功率风电变流器产品各项软件(控制软件和逻辑软件)功能的测试要求，大大降低了海上全功率风电变流器产品开发对试验资源的依赖程度，实现了对海上全功率风电变流器功能的实时测试，降低了产品的实验成本。

本发明实施例提供的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，可为海上全功率风电变流器产品的分析、设计和改进提供有效的手段和工具，为售前方案、售后调试提供有力的数据支撑，并达到了快速响应市场需求、准确定位电传动系统特点的目的。因此，该系统可灵活地应用于研究机构开发风电变流器设备，也可用于风电机组或其他型号变流器产品的设计和测试，有效节约了实验资源。

本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，包括：

上位机，用于输入海上全功率风电变流器的仿真参数，并输出仿真控制指令；

实时仿真单元，与所述上位机连接，所述实时仿真单元存储有海上全功率风电变流器的主电路模型，用于在当前仿真步长内根据所述仿真控制指令对所述主电路模型进行仿真，向实物控制单元输出对应当前仿真步长的第一信号，并根据实物控制单元反馈的对应当前仿真步长的第二信号，对所述主电路模型进行下一仿真步长的仿真；

所述实物控制单元，与所述实时仿真单元连接，用于根据本地存储的控制算法和逻辑算法对所述对应当前仿真步长的第一信号进行处理，将处理结果作为对应当前仿真步长的第二信号，并将该第二信号反馈给所述实时仿真单元，以使所述实时仿真单元根据该第二信号进行下一仿真步长的仿真。

2.根据权利要求1所述的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，所述实时仿真单元包括：中央处理器CPU板卡和现场可编程门阵列FPGA板卡，所述海上全功率风电变流器的主电路模型设置于所述FPGA板卡中。

3.根据权利要求2所述的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，所述CPU板卡与所述FPGA板卡通过PCIE总线连接。

4.根据权利要求2所述的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，所述上位机与所述实时仿真单元通过所述CPU板卡进行数据交互。

5.根据权利要求4所述的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，所述上位机与所述CPU板卡通过TCP/IP协议进行数据交互。

6.根据权利要求1所述的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，所述海上全功率风电变流器的主电路模型由所述上位机来构建、编译及下载。

7.根据权利要求2所述的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，还包括：信号转换单元，其连接在所述FPGA板卡与所述实物控制单元之间，用于将所述实时仿真单元在当前仿真步长内输出的第一信号转换为所述实物控制单元能够识别的电信号，提供给所述实物控制单元，并用于将所述实物控制单元在当前仿真步长内输出的第二信号转换为所述实时仿真单元能够识别的信号，并提供给所述实时仿真单元。

8.根据权利要求7所述的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，所述信号转换单元通过数据总线与所述FPGA板卡和所述实物控制单元连接。

9.根据权利要求8所述的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，所述信号转换单元为I/O板。

10.根据权利要求1所述的海上全功率风电变流器半实物仿真系统，其特征在于，所述实时仿真单元还预留有多个I/O接口，以供其他类型的变流器进行半实物仿真时使用。

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