CN113721476A - 100mw级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台及方法 - Google Patents
100mw级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113721476A CN113721476A CN202110729654.8A CN202110729654A CN113721476A CN 113721476 A CN113721476 A CN 113721476A CN 202110729654 A CN202110729654 A CN 202110729654A CN 113721476 A CN113721476 A CN 113721476A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- model
- simulation
- speed
- real
- storage unit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004088 simulation Methods 0.000 title claims abstract description 143
- 239000013535 sea water Substances 0.000 title claims abstract description 71
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims abstract description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 87
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 24
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 21
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 15
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 claims description 14
- 238000010248 power generation Methods 0.000 claims description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 claims description 9
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 9
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims description 9
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 7
- 239000005441 aurora Substances 0.000 claims description 6
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 claims description 6
- 238000011217 control strategy Methods 0.000 claims description 6
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 6
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 6
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 6
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 3
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 230000001932 seasonal effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 10
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 abstract description 2
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 abstract 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000007792 addition Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B17/00—Systems involving the use of models or simulators of said systems
- G05B17/02—Systems involving the use of models or simulators of said systems electric
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Automation & Control Theory (AREA)
- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
Abstract
本发明涉及100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台及方法。主要由实时仿真系统、机组控制系统、优化调度系统三部分组成，是集系统模拟仿真、机组模拟控制及上层优化计算等多功能为一体的多维多层次的联合运行系统硬件在环仿真平台。在仿真平台中，基于可变速抽水蓄能机组的各部分暂态数学模型，搭建相对应的实时仿真模型，在仿真平台建立了100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统“源‑网‑荷”综合实时仿真模型，为解决海岛或沿海地区可再生能源就地消纳或并网运行大规模外送面临的运行问题、掌握可变速海水抽水蓄能机组及其与可再生能源联合运行系统的运行特性提供可靠的研究基础。
Description
技术领域
本发明属于电力系统硬件在环仿真领域，具体涉及100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台及方法。
背景技术
针对电力系统的硬件在环仿真，目前国内外已有一定的研究成果。然而目前成果中，其硬件组成结构一般为实时仿真机与电力系统元件、电力系统元件的模拟元件或单层级实物控制器相连接，进行硬件在环仿真，尚未有将实时仿真机与场站级机组控制系统、上级调度系统相连接、能模拟实际电力系统多层级控制的硬件在环仿真平台。
针对可变速抽水蓄能机组的建模工作，目前国内外已有一定的理论成果与仿真成果。然而目前成果主要根据发电工况与抽水工况分别进行建模，即针对一台可变速抽水蓄能蓄能机组，分别独立建立发电工况模型与抽水工况模型，这种建模方法无法准确还原可变速抽水蓄能蓄能机组工况进行连续转换的情况。另外也有根据可逆式水泵水轮机的实际运行曲线建立的查表模型，由于可逆式水泵水轮机的实际运行曲线一般根据稳态工况绘制，故并不适合暂态过程的仿真。此外，对于考虑海水波浪扰动的可变速海水抽水蓄能机组的建模，目前国内外尚无任何研究。综上，目前已发表研究成果中暂无对于可变速海水抽水蓄能机组双工况的联合建模方法。
针对可变速抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统，国内外已有一定的建模等方面的理论研究成果，但并无考虑海水波浪扰动的100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统相关研究。
发明内容
本发明主要由实时仿真系统、机组控制系统、优化调度系统三部分组成，是集系统模拟仿真、机组模拟控制及上层优化计算等多功能为一体的多维多层次的联合运行系统硬件在环仿真平台，其中实时仿真系统主要基于RT-LAB实现联合运行系统建模及微秒级实时仿真，自主研发的机组控制系统主要实现场站级可变速海水抽水蓄能机组有功、无功的快速响应控制，自主研发的优化调度系统主要实现区域调度控制中心核心程序计算及效果展示。基于可变速抽水蓄能机组的各部分暂态数学模型，在RT-LAB搭建相对应的实时仿真模型，模型根据有功指令的正负性在发电工况与抽水工况之间切换。该仿真模型实现了可变速抽水蓄能机组两种工况的联合建模，适用于各工况下的暂态仿真，可还原可变速抽水蓄能机组工况进行连续转换的情况，并可接收由海水波浪模型产生的水头扰动信号，模拟海水波浪扰动影响。基于此可变速海水抽水蓄能机组模型，结合其他多种发电机组模型、电网模型、负荷模型，建立了100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统“源-网-荷”综合实时仿真模型。本发明为解决海岛或沿海地区可再生能源就地消纳或并网运行大规模外送面临的运行问题、掌握可变速海水抽水蓄能机组及其与可再生能源联合运行系统的运行特性提供了可靠的研究基础；为我国针对可变速海水抽水蓄能与可再生能源联合运行系统的控制、调度研究提供了科学可靠的实验工具。
1.100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台，其特征在于，包括：
实时仿真系统:实时仿真系统包括RT-LAB实时仿真机与示波器，其中：RT-LAB实时仿真机用于100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统模型的微秒级实时仿真计算，同时凭借它对多种通信协议与高速通信功能的支持，与控制系统、调度系统进行灵活连接，实现单一层级控制或多层级控制的硬件在环实时仿真；示波器用于对仿真模型中的关键变量进行实时监测与录波；
机组控制系统:机组控制系统包括功率控制器、变流器控制器，其中：功率控制器根据上级调度功率指令，按照一定的功率控制策略，进行可变速海水抽水蓄能电站内机组的有功、无功功率参考指令的计算；变流器控制器，根据可变速海水抽水蓄能机组的功率参考指令、启停机指令，按照一定的变流器控制算法，计算变流器控制指令，下发至实时仿真系统，应用于其中的可变速海水抽水蓄能机组模型；控制系统设备间、控制系统与实时仿真系统间均采用基于Aurora协议的高速光纤通信，控制系统切换时间小于10毫秒(约为450微秒)；
优化调度系统:优化调度系统包括多时间尺度有功调度系统、无功快速控制系统、预测系统，其中：多时间尺度有功调度系统与无功快速控制系统主要功能在于根据实时仿真系统的反馈变量，基于一定的调度控制策略，计算100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统中各发电机组的有功、无功调度指令等指令，并下发至实时仿真系统；预测系统根据风电、光伏、负荷的历史数据，基于一定的预测算法，计算风电、光伏、负荷的预测数据，同样下发至实时仿真系统；调度系统基于多台服务器搭建，与实时仿真系统间采用基于IEC104协议的网络通信。
2.根据权利要求1所述100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台，其特征在于，仿真机用于搭建可变速海水抽水蓄能机组双工况实时仿真模型,包括
1)引水系统建模
引水系统考虑刚性水击模型；根据刚性水击理论，在压力管道较短(小于600-800m)的场合，水击压力波(波速约1000m/s)传递到整个引水管道的时间极短，可以认为水流和管道壁都是刚性的，可采用刚性水击模型描述压力引水系统的动态特性，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型：
式中：q为水轮机流量标幺值，基值为qbase(m3/s)，即水轮机导叶开度最大时的流量；h 为水轮机入口处水头标幺值，基值为h0(m)，即过压水道的静态水头；hl为管道内因摩擦引起的水头损失标幺值，基值为h0；fp为水头损失系数；Tw为过压水道时间常数；海水波浪扰动的影响由调度系统基于一种模拟海水抽蓄电站附加水头变化的随机扰动模型计算并下发，作为静态水头的扰动量，此扰动模型采用风速时间序列的季节特性来间接模拟水头变化，同时兼顾短时间尺度内的自由波动波高的随机性，模型由一个正负交替带方向的多项式拟合函数组成(本文以线性拟合函数为例)，也可兼顾求解的复杂性和准确性，如下式所示：
ΔHr(t)＝(-1)t[aW(t)+b]
式中t为时段数(正整数)，ΔHr(t)为t时刻海浪引起的水头变化附加值；W(t)为t时刻站址所在地的风速； a、b为拟合系数；
2)调速器系统建模
发电工况下水轮机的调速器通常采用PID规律的调速器，其传递函数如下式所示，在 RT-LAB平台模块库中选用与下式相符的仿真模型；
式中：KPw、KIw、KDw为PID控制器增益；Td为实际微分环节时间常数；s为拉普拉斯算子；
调速系统的伺服电机通常采用二阶模型，其传递函数如下式所示，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型：
式中：Ksm为伺服电机增益；Tsm为伺服电机时间常数；s为拉普拉斯算子；
3)水泵水轮机建模
采用IEEE非线性水轮机模型，由于考虑了水轮机非线性，该模型适用于水电系统动态过程仿真分析、小扰动工况和大扰动动态过程计算，模型表达式如下式所示，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型：
式中：G为导叶开度标幺值；qnl为水轮机空载流量标幺值，基值为qbase；D为转速偏差阻尼系数；Δω为转速偏差，Δω＝ωr-ωN，ωN为水轮机额定转速；At为水轮机增益；η为实时效率；
可逆式水泵水轮机在抽水工况下工作时的扬程由流量与转速决定，其关系表达式通常由实际运行数据拟合得到，如下式所示，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型：
其中：Ht为水泵工况下水泵水轮机扬程；A0、A1、A2为拟合系数；ωr为机组转速；
根据收到有功指令的正负性确定可逆式水泵水轮机的工况，例如规定发电工况下接收正的有功指令、抽水工况下接收负的有功指令，则在接收正的有功指令时判断机组应为发电工况、在接收负的有功指令时判断机组应为抽水工况；当机组有功功率处于0附近时，根据有功指令的正负性给出相应的模式信号给水泵水轮机组模型，实现水轮机工况静态水头与水泵扬程的切换，使模型能够符合相应的工况，在RT-LAB平台运用基础模块建立能实现上述功能的仿真模型；
4)双馈电机建模
为便于采用矢量控制以实现机组有功、无功功率的解耦控制，通常采用dq同步旋转坐标下的异步电机基本模型；采用电动机惯例时，在以同步速旋转的dq同步旋转坐标系下，基于异步电机定、转子的电压、磁链平衡方程，转子运动方程，以及电磁转矩与无功功率的表达式，异步电机的暂态模型可表达为下式，在RT-LAB平台模块库中选用与下式相符的仿真模型；
式中：uds、uqs、udr、uqr分别为定、转子电压的d、q轴分量；ids、iqs、idr、iqr分别为定、转子电流的d、q轴分量；ω1为同步角速度；ωs为转差角速度，ωs＝ω1-ωr；ψds、ψqs、ψdr、ψqr、分别为定、转子磁链的d、q轴分量；Ls为dq坐标系下两相定子绕组间的等效自感；Lr为dq 坐标系下两相转子绕组间的等效自感；Lm为dq坐标系下同轴定、转子绕组间的等效互感； Te为电磁转矩；Ja为机组转子的转动惯量；Tm为机械转矩；Ps、Qs分别为异步电机定子消耗的有功、无功功率；F为阻尼系数；
5)背靠背变流器建模
采用两个中点钳位型三电平变流器建立背靠背变流器模型，在RT-LAB平台模块库中选用中点钳位型三电平变流器模块建立相应仿真模型。
3.根据权利要求1所述100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台，其特征在于，仿真机还用于100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统“源-网-荷”综合实时仿真模型的搭建，包括
1)可变速海水抽水蓄能机组建模
建模方法已在S2-1中详细描述；
2)风电场建模
采用单机表征法，基于通用电气公司的3.6MW风电机组暂态模型，在RT-LAB平台运用基础模块建立200MW风电场仿真模型；
3)光伏机组建模
采用Matlab Simulink提供的PV array模块对光伏电池板进行建模，该模块参数基于美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)数据库收集的实际光伏电池板产品参数；设计3电平中点钳位型逆变器及其控制器使PV Array并网；光伏机组的出力基于最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)进行控制，具体为扰动观察法；在RT-LAB平台基于以上模块与方法建立200kW光伏机组模型；
4)同步机组模型
采用Matlab Simulink提供的同步电机模块(Synchronous Machine puStandard)、汽轮机及其调速器模块(Steam Turbine and Governor)与励磁系统模块(Excitation System)，在RT-LAB平台基于以上模块搭建4MW、6MW柴油同步发电机组模型；
5)蓄电池机组模型
采用Matlab Simulink提供的蓄电池模块；同样设计3电平中点钳位型逆变器及其控制器使蓄电池并网，在RT-LAB平台建立共计10MW蓄电池机组模型；
6)电网模型
采用OPAL-RT提供的三相分布参数模型(Distributed Parameters Line)与Matlab Simulink 提供的π型等值电路模型，其中：10km以上的线路采用分布参数模型；10km以下的线路采用π型等值电路模型，在RT-LAB平台基于以上模块搭建电网模型；
7)负荷模型
a.恒定阻抗负荷模型
采用Matlab Simulink提供的恒定阻抗负荷模块在RT-LAB平台进行建模；
b.异步电机负荷模型
基于Matlab Simulink提供的异步电机模块，在RT-LAB平台建立带恒定转矩负载与带恒定功率负载的两种异步电机负荷模型。
4. 100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台的仿真方法，具体包括：
S1.硬件开机
接通100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台所有硬件设备电源、开启上电开关；
S2.仿真模型的导入与运行
1)在RT-LAB上位机运行RT-LAB软件；
2)创建仿真工程；
3)在创建的仿真工程中导入100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型及通信配置文件，包括IEC104配置文件、基于Aurora协议光纤通信的FPGA配置文件等；
4)编译100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型；
5)将编译好的100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型下载至RT-LAB目标机；
运行下载完成的仿真模型，使模型在RT-LAB目标机中进行硬件在环实时仿真。
本发明为解决海岛或沿海地区可再生能源就地消纳或并网运行大规模外送面临的运行问题、掌握可变速海水抽水蓄能机组及其与可再生能源联合运行系统的运行特性提供了可靠的研究基础；为我国针对可变速海水抽水蓄能与可再生能源联合运行系统的控制、调度研究提供了科学可靠的实验工具。
附图说明
附图1为100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台。
附图2为可变速海水抽水蓄能机组实时仿真模型。
附图3为基于通用电气公司风电机组模型的风电场实时仿真模型。
具体实施方式
100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台，其特征在于，包括：
S1.硬件在环仿真平台的软、硬件系统设计
S2. 100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型的搭建
优选的，所述步骤S1具体包括：
S1-1.实时仿真系统
实时仿真系统主要包括RT-LAB实时仿真机与示波器(如附图1所示)，其中：RT-LAB实时仿真机用于100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统模型的微秒级实时仿真计算，同时凭借它对多种通信协议与高速通信功能的支持，与机组控制系统、优化调度系统进行灵活连接，实现单一层级控制或多层级控制的硬件在环实时仿真；示波器用于对仿真模型中的关键变量进行实时监测与录波。
S1-2.机组控制系统
机组控制系统包括功率控制器、变流器控制器(如附图1所示)，其中：功率控制器根据上级调度功率指令，按照一定的功率控制策略，进行可变速海水抽水蓄能电站内机组的有功、无功功率参考指令的计算；变流器控制器，根据可变速海水抽水蓄能机组的功率参考指令、启停机指令，按照一定的变流器控制算法，计算变流器控制指令，下发至实时仿真系统，应用于其中的可变速海水抽水蓄能机组模型。控制系统设备间、控制系统与实时仿真系统间均采用基于Aurora协议的高速光纤通信，控制系统切换时间小于10毫秒(约为450微秒)。
S1-3.优化调度系统
优化调度系统包括多时间尺度有功调度系统、无功快速控制系统、预测系统(如附图1 所示)，其中：多时间尺度有功调度系统与无功快速控制系统主要功能在于根据实时仿真系统的反馈变量，基于一定的调度控制策略，计算100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统中各发电机组的有功、无功调度指令等指令，并下发至实时仿真系统；预测系统根据风电、光伏、负荷的历史数据，基于一定的预测算法，计算风电、光伏、负荷的预测数据，同样下发至实时仿真系统。调度系统基于多台服务器搭建，与实时仿真系统间采用基于IEC104协议的网络通信。
优选的，所述步骤S2具体包括：
S2-1.可变速抽水蓄能机组双工况实时仿真模型的搭建
1)引水系统建模
引水系统考虑刚性水击模型。根据刚性水击理论，在压力管道较短(小于600-800m)的场合，水击压力波(波速约1000m/s)传递到整个引水管道的时间极短，可以认为水流和管道壁都是刚性的，可采用刚性水击模型描述压力引水系统的动态特性，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型(如附图2所示)：
式中：q为水轮机流量标幺值，基值为qbase(m3/s)，即水轮机导叶开度最大时的流量；h 为水轮机入口处水头标幺值，基值为h0(m)，即过压水道的静态水头；hl为管道内因摩擦引起的水头损失标幺值，基值为h0；fp为水头损失系数；Tw为过压水道时间常数。海水波浪扰动的影响由优化调度系统基于一种模拟海水抽蓄电站附加水头变化的随机扰动模型计算并下发，作为静态水头的扰动量，此扰动模型采用风速时间序列的季节特性来间接模拟水头变化，同时兼顾短时间尺度内的自由波动波高的随机性，模型由一个正负交替带方向的多项式拟合函数组成(本文以线性拟合函数为例)，也可兼顾求解的复杂性和准确性，如下式所示：
ΔHr(t)＝(-1)t[aW(t)+b]
式中t为时段数(正整数)，ΔHr(t)为t时刻海浪引起的水头变化附加值；W(t)为t时刻站址所在地的风速；a、b为拟合系数。
2)调速器系统建模
发电工况下水轮机的调速器通常采用PID规律的调速器，其传递函数如下式所示，在 RT-LAB平台模块库中选用与下式相符的仿真模型(如附图2所示)。
式中：KPw、KIw、KDw为PID控制器增益；Td为实际微分环节时间常数；s为拉普拉斯算子。
调速系统的伺服电机通常采用二阶模型，其传递函数如下式所示，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型(如附图2所示)：
式中：Ksm为伺服电机增益；Tsm为伺服电机时间常数；s为拉普拉斯算子。
3)水泵水轮机建模
采用IEEE非线性水轮机模型，由于考虑了水轮机非线性，该模型适用于水电系统动态过程仿真分析、小扰动工况和大扰动动态过程计算，模型表达式如下式所示，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型(如附图2所示)：
式中：G为导叶开度标幺值；qnl为水轮机空载流量标幺值，基值为qbase；D为转速偏差阻尼系数；Δω为转速偏差，Δω＝ωr-ωN，ωN为水轮机额定转速；At为水轮机增益；η为实时效率。
可逆式水泵水轮机在抽水工况下工作时的扬程由流量与转速决定，其关系表达式通常由实际运行数据拟合得到，如下式所示，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型：
其中：Ht为水泵工况下水泵水轮机扬程；A0、A1、A2为拟合系数；ωr为机组转速。
根据收到有功指令的正负性确定可逆式水泵水轮机的工况，例如规定发电工况下接收正的有功指令、抽水工况下接收负的有功指令，则在接收正的有功指令时判断机组应为发电工况、在接收负的有功指令时判断机组应为抽水工况。当机组有功功率处于0附近时，根据有功指令的正负性给出相应的模式信号给水泵水轮机组模型，实现水轮机工况静态水头与水泵扬程的切换，使模型能够符合相应的工况，在RT-LAB平台运用基础模块建立能实现上述功能的仿真模型。
4)双馈电机建模
为便于采用矢量控制以实现机组有功、无功功率的解耦控制，通常采用dq同步旋转坐标下的异步电机基本模型。采用电动机惯例时，在以同步速旋转的dq同步旋转坐标系下，基于异步电机定、转子的电压、磁链平衡方程，转子运动方程，以及电磁转矩与无功功率的表达式，异步电机的暂态模型可表达为下式，在RT-LAB平台模块库中选用与下式相符的仿真模型(如附图2所示)。
式中：uds、uqs、udr、uqr分别为定、转子电压的d、q轴分量；ids、iqs、idr、iqr分别为定、转子电流的d、q轴分量；ω1为同步角速度；ωs为转差角速度，ωs＝ω1-ωr；ψds、ψqs、ψdr、ψqr、分别为定、转子磁链的d、q轴分量；Ls为dq坐标系下两相定子绕组间的等效自感；Lr为dq 坐标系下两相转子绕组间的等效自感；Lm为dq坐标系下同轴定、转子绕组间的等效互感； Te为电磁转矩；Ja为机组转子的转动惯量；Tm为机械转矩。Ps、Qs分别为异步电机定子消耗的有功、无功功率；F为阻尼系数。
5)背靠背变流器建模
采用两个中点钳位型三电平变流器建立背靠背变流器模型，在RT-LAB平台模块库中选用中点钳位型三电平变流器模块建立相应仿真模型(如附图2所示)。
S2-2.100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统“源-网-荷”综合实时仿真模型的搭建。
1)可变速海水抽水蓄能机组建模
建模方法已在S2-1中详细描述。
2)风电场建模
采用单机表征法，基于通用电气公司的3.6MW风电机组暂态模型，在RT-LAB平台运用基础模块建立200MW风电场仿真模型(如附图3所示)。
3)光伏机组建模
采用Matlab Simulink提供的PV array模块对光伏电池板进行建模，该模块参数基于美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)数据库收集的实际光伏电池板产品参数。设计3电平中点钳位型逆变器及其控制器使PV Array并网。光伏机组的出力基于最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)进行控制，具体为扰动观察法。在RT-LAB平台基于以上模块与方法建立200kW光伏机组模型。
4)同步机组模型
采用Matlab Simulink提供的同步电机模块(Synchronous Machine puStandard)、汽轮机及其调速器模块(Steam Turbine and Governor)与励磁系统模块(Excitation System)，在RT-LAB平台基于以上模块搭建4MW、6MW柴油同步发电机组模型。
5)蓄电池机组模型
采用Matlab Simulink提供的蓄电池模块。同样设计3电平中点钳位型逆变器及其控制器使蓄电池并网，在RT-LAB平台建立共计10MW蓄电池机组模型。
6)电网模型
采用OPAL-RT提供的三相分布参数模型(Distributed Parameters Line)与Matlab Simulink 提供的π型等值电路模型，其中：10km以上的线路采用分布参数模型；10km以下的线路采用π型等值电路模型，在RT-LAB平台基于以上模块搭建电网模型。
7)负荷模型
a.恒定阻抗负荷模型
采用Matlab Simulink提供的恒定阻抗负荷模块在RT-LAB平台进行建模。
b.异步电机负荷模型
基于Matlab Simulink提供的异步电机模块，在RT-LAB平台建立带恒定转矩负载与带恒定功率负载的两种异步电机负荷模型。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域的技术开发人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域及相关领域的技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，仍在本发明的保护范围以内。
优选的，所述步骤S3具体包括：
S3-1.硬件开机
接通100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台所有硬件设备电源、开启上电开关。
S3-2.仿真模型的导入与运行
6)在RT-LAB上位机运行RT-LAB软件。
7)创建仿真工程。
8)在创建的仿真工程中导入100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型及通信配置文件，包括IEC104配置文件、基于Aurora协议光纤通信的FPGA配置文件等。
9)编译100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型。
10)将编译好的100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型下载至RT-LAB目标机。
11)运行下载完成的仿真模型，使模型在RT-LAB目标机中进行硬件在环实时仿真。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台，其特征在于，包括：
实时仿真系统:实时仿真系统包括RT-LAB实时仿真机与示波器，其中：RT-LAB实时仿真机用于100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统模型的微秒级实时仿真计算，同时凭借它对多种通信协议与高速通信功能的支持，与控制系统、调度系统进行灵活连接，实现单一层级控制或多层级控制的硬件在环实时仿真；示波器用于对仿真模型中的关键变量进行实时监测与录波；
机组控制系统:机组控制系统包括功率控制器、变流器控制器，其中：功率控制器根据上级调度功率指令，按照一定的功率控制策略，进行可变速海水抽水蓄能电站内机组的有功、无功功率参考指令的计算；变流器控制器，根据可变速海水抽水蓄能机组的功率参考指令、启停机指令，按照一定的变流器控制算法，计算变流器控制指令，下发至实时仿真系统，应用于其中的可变速海水抽水蓄能机组模型；控制系统设备间、控制系统与实时仿真系统间均采用基于Aurora协议的高速光纤通信，控制系统切换时间小于10毫秒(约为450微秒)；
优化调度系统:优化调度系统包括多时间尺度有功调度系统、无功快速控制系统、预测系统，其中：多时间尺度有功调度系统与无功快速控制系统主要功能在于根据实时仿真系统的反馈变量，基于一定的调度控制策略，计算100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统中各发电机组的有功、无功调度指令等指令，并下发至实时仿真系统；预测系统根据风电、光伏、负荷的历史数据，基于一定的预测算法，计算风电、光伏、负荷的预测数据，同样下发至实时仿真系统；调度系统基于多台服务器搭建，与实时仿真系统间采用基于IEC104协议的网络通信。
2.根据权利要求1所述100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台，其特征在于，仿真机用于搭建可变速海水抽水蓄能机组双工况实时仿真模型,包括
1)引水系统建模
引水系统考虑刚性水击模型；根据刚性水击理论，在压力管道较短(小于600-800m)的场合，水击压力波(波速约1000m/s)传递到整个引水管道的时间极短，可以认为水流和管道壁都是刚性的，可采用刚性水击模型描述压力引水系统的动态特性，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型：
式中：q为水轮机流量标幺值，基值为qbase(m3/s)，即水轮机导叶开度最大时的流量；h为水轮机入口处水头标幺值，基值为h0(m)，即过压水道的静态水头；hl为管道内因摩擦引起的水头损失标幺值，基值为h0；fp为水头损失系数；Tw为过压水道时间常数；海水波浪扰动的影响由调度系统基于一种模拟海水抽蓄电站附加水头变化的随机扰动模型计算并下发，作为静态水头的扰动量，此扰动模型采用风速时间序列的季节特性来间接模拟水头变化，同时兼顾短时间尺度内的自由波动波高的随机性，模型由一个正负交替带方向的多项式拟合函数组成(本文以线性拟合函数为例)，也可兼顾求解的复杂性和准确性，如下式所示：
ΔHr(t)＝(-1)t[aW(t)+b]
式中t为时段数(正整数)，ΔHr(t)为t时刻海浪引起的水头变化附加值；W(t)为t时刻站址所在地的风速；a、b为拟合系数；
2)调速器系统建模
发电工况下水轮机的调速器通常采用PID规律的调速器，其传递函数如下式所示，在RT-LAB平台模块库中选用与下式相符的仿真模型；
式中：KPw、KIw、KDw为PID控制器增益；Td为实际微分环节时间常数；s为拉普拉斯算子；
调速系统的伺服电机通常采用二阶模型，其传递函数如下式所示，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型：
式中：Ksm为伺服电机增益；Tsm为伺服电机时间常数；s为拉普拉斯算子；
3)水泵水轮机建模
采用IEEE非线性水轮机模型，由于考虑了水轮机非线性，该模型适用于水电系统动态过程仿真分析、小扰动工况和大扰动动态过程计算，模型表达式如下式所示，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型：
式中：G为导叶开度标幺值；qnl为水轮机空载流量标幺值，基值为qbase；D为转速偏差阻尼系数；Δω为转速偏差，Δω＝ωr-ωN，ωN为水轮机额定转速；At为水轮机增益；η为实时效率；
可逆式水泵水轮机在抽水工况下工作时的扬程由流量与转速决定，其关系表达式通常由实际运行数据拟合得到，如下式所示，在RT-LAB平台运用基础模块建立与下式相符的仿真模型：
其中：Ht为水泵工况下水泵水轮机扬程；A0、A1、A2为拟合系数；ωr为机组转速；
根据收到有功指令的正负性确定可逆式水泵水轮机的工况，例如规定发电工况下接收正的有功指令、抽水工况下接收负的有功指令，则在接收正的有功指令时判断机组应为发电工况、在接收负的有功指令时判断机组应为抽水工况；当机组有功功率处于0附近时，根据有功指令的正负性给出相应的模式信号给水泵水轮机组模型，实现水轮机工况静态水头与水泵扬程的切换，使模型能够符合相应的工况，在RT-LAB平台运用基础模块建立能实现上述功能的仿真模型；
4)双馈电机建模
为便于采用矢量控制以实现机组有功、无功功率的解耦控制，通常采用dq同步旋转坐标下的异步电机基本模型；采用电动机惯例时，在以同步速旋转的dq同步旋转坐标系下，基于异步电机定、转子的电压、磁链平衡方程，转子运动方程，以及电磁转矩与无功功率的表达式，异步电机的暂态模型可表达为下式，在RT-LAB平台模块库中选用与下式相符的仿真模型；
式中：uds、uqs、udr、uqr分别为定、转子电压的d、q轴分量；ids、iqs、idr、iqr分别为定、转子电流的d、q轴分量；ω1为同步角速度；ωs为转差角速度，ωs＝ω1-ωr；ψds、ψqs、ψdr、ψqr、分别为定、转子磁链的d、q轴分量；Ls为dq坐标系下两相定子绕组间的等效自感；Lr为dq坐标系下两相转子绕组间的等效自感；Lm为dq坐标系下同轴定、转子绕组间的等效互感；Te为电磁转矩；Ja为机组转子的转动惯量；Tm为机械转矩；Ps、Qs分别为异步电机定子消耗的有功、无功功率；F为阻尼系数；
5)背靠背变流器建模
采用两个中点钳位型三电平变流器建立背靠背变流器模型，在RT-LAB平台模块库中选用中点钳位型三电平变流器模块建立相应仿真模型。
3.根据权利要求1所述100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台，其特征在于，仿真机还用于100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统“源-网-荷”综合实时仿真模型的搭建，包括
1)可变速海水抽水蓄能机组建模
建模方法已在S2-1中详细描述；
2)风电场建模
采用单机表征法，基于通用电气公司的3.6MW风电机组暂态模型，在RT-LAB平台运用基础模块建立200MW风电场仿真模型；
3)光伏机组建模
采用Matlab Simulink提供的PV array模块对光伏电池板进行建模，该模块参数基于美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)数据库收集的实际光伏电池板产品参数；设计3电平中点钳位型逆变器及其控制器使PV Array并网；光伏机组的出力基于最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)进行控制，具体为扰动观察法；在RT-LAB平台基于以上模块与方法建立200kW光伏机组模型；
4)同步机组模型
采用Matlab Simulink提供的同步电机模块(Synchronous Machine pu Standard)、汽轮机及其调速器模块(Steam Turbine and Governor)与励磁系统模块(ExcitationSystem)，在RT-LAB平台基于以上模块搭建4MW、6MW柴油同步发电机组模型；
5)蓄电池机组模型
采用Matlab Simulink提供的蓄电池模块；同样设计3电平中点钳位型逆变器及其控制器使蓄电池并网，在RT-LAB平台建立共计10MW蓄电池机组模型；
6)电网模型
采用OPAL-RT提供的三相分布参数模型(Distributed Parameters Line)与MatlabSimulink提供的π型等值电路模型，其中：10km以上的线路采用分布参数模型；10km以下的线路采用π型等值电路模型，在RT-LAB平台基于以上模块搭建电网模型；
7)负荷模型
a.恒定阻抗负荷模型
采用Matlab Simulink提供的恒定阻抗负荷模块在RT-LAB平台进行建模；
b.异步电机负荷模型
基于Matlab Simulink提供的异步电机模块，在RT-LAB平台建立带恒定转矩负载与带恒定功率负载的两种异步电机负荷模型。
4.100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台的仿真方法，具体包括：
S1.硬件开机
接通100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台所有硬件设备电源、开启上电开关；
S2.仿真模型的导入与运行
1)在RT-LAB上位机运行RT-LAB软件；
2)创建仿真工程；
3)在创建的仿真工程中导入100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型及通信配置文件，包括IEC104配置文件、基于Aurora协议光纤通信的FPGA配置文件等；
4)编译100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型；
5)将编译好的100MW级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统实时仿真模型下载至RT-LAB目标机；
6)运行下载完成的仿真模型，使模型在RT-LAB目标机中进行硬件在环实时仿真。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110729654.8A CN113721476A (zh) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | 100mw级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202110729654.8A CN113721476A (zh) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | 100mw级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113721476A true CN113721476A (zh) | 2021-11-30 |
Family
ID=78673010
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202110729654.8A Pending CN113721476A (zh) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | 100mw级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113721476A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115358079A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-11-18 | 南方电网电力科技股份有限公司 | 风电场场站实时仿真模型的构建方法和阻抗特性评估方法 |
| CN115494726A (zh) * | 2022-11-01 | 2022-12-20 | 武汉大学 | 全功率变流可变速抽水蓄能机组动态特性仿真建模方法 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104330980A (zh) * | 2014-11-03 | 2015-02-04 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种基于rt-lab的微电网仿真测试系统 |
| CN108063453A (zh) * | 2017-12-04 | 2018-05-22 | 国网辽宁省电力有限公司 | 一种提高风电接纳能力的电网全时段多元优化调度方法 |
| CN109755959A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-05-14 | 清华大学 | 基于风/光出力柯西分布的火电机组动态实时调度方法 |
| CN109782629A (zh) * | 2019-03-22 | 2019-05-21 | 中国东方电气集团有限公司 | 变速恒频抽水蓄能机组控制器硬件在环仿真测试平台 |
| CN110034569A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-19 | 武汉大学 | 一种含可变速海水抽蓄机组和化学储能的联合系统混合模型预测控制方法 |
| CN111064229A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-04-24 | 广东工业大学 | 基于q学习的风-光-气-蓄联合动态经济调度优化方法 |
| CN111882131A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-11-03 | 南方电网调峰调频发电有限公司 | 一种基于双工况最优效率跟踪的变速海水抽蓄电站容量优化方法 |
| CN112467807A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-03-09 | 东北电力大学 | 一种多能源电力系统日前优化调度方法及系统 |
-
2021
- 2021-06-29 CN CN202110729654.8A patent/CN113721476A/zh active Pending
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104330980A (zh) * | 2014-11-03 | 2015-02-04 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种基于rt-lab的微电网仿真测试系统 |
| CN108063453A (zh) * | 2017-12-04 | 2018-05-22 | 国网辽宁省电力有限公司 | 一种提高风电接纳能力的电网全时段多元优化调度方法 |
| CN109755959A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-05-14 | 清华大学 | 基于风/光出力柯西分布的火电机组动态实时调度方法 |
| CN109782629A (zh) * | 2019-03-22 | 2019-05-21 | 中国东方电气集团有限公司 | 变速恒频抽水蓄能机组控制器硬件在环仿真测试平台 |
| CN110034569A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-07-19 | 武汉大学 | 一种含可变速海水抽蓄机组和化学储能的联合系统混合模型预测控制方法 |
| CN111064229A (zh) * | 2019-12-18 | 2020-04-24 | 广东工业大学 | 基于q学习的风-光-气-蓄联合动态经济调度优化方法 |
| CN111882131A (zh) * | 2020-07-31 | 2020-11-03 | 南方电网调峰调频发电有限公司 | 一种基于双工况最优效率跟踪的变速海水抽蓄电站容量优化方法 |
| CN112467807A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-03-09 | 东北电力大学 | 一种多能源电力系统日前优化调度方法及系统 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| "《电网与清洁能源》2017年总目次", 《电网与清洁能源》 * |
| "《电网与清洁能源》2017年总目次", 《电网与清洁能源》, no. 12, 25 December 2017 (2017-12-25) * |
| 朱咏: "双馈水轮发电机系统功率调节的控制策略研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》, no. 8, pages 037 - 156 * |
| 赵强: "双馈式可变速抽水蓄能机组建模与电网频率控制", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, no. 1, pages 037 - 175 * |
| 郝丽丽: "双馈变速抽水蓄能机组建模及仿真", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, no. 1, pages 037 - 185 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115358079A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-11-18 | 南方电网电力科技股份有限公司 | 风电场场站实时仿真模型的构建方法和阻抗特性评估方法 |
| CN115358079B (zh) * | 2022-08-23 | 2024-04-12 | 南方电网电力科技股份有限公司 | 风电场场站实时仿真模型的构建方法和阻抗特性评估方法 |
| CN115494726A (zh) * | 2022-11-01 | 2022-12-20 | 武汉大学 | 全功率变流可变速抽水蓄能机组动态特性仿真建模方法 |
| CN115494726B (zh) * | 2022-11-01 | 2023-02-17 | 武汉大学 | 全功率变流可变速抽水蓄能机组动态特性仿真建模方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Mensou et al. | Performance of a vector control for DFIG driven by wind turbine: real time simulation using DS1104 controller board | |
| CN104201716B (zh) | 一种基于可控电流源的机电暂态简化模型建立方法 | |
| CN113721476A (zh) | 100mw级可变速海水抽水蓄能机组与可再生能源联合运行系统硬件在环仿真平台及方法 | |
| CN110206686A (zh) | 一种用于风力发电机组的自适应最大功率跟踪控制方法 | |
| Maheshwari et al. | A comprehensive review on wind turbine emulators | |
| Guo et al. | Nonlinear modeling and operation stability of variable speed pumped storage power station | |
| CN105680473A (zh) | 面向光伏发电系统的通用机电暂态信息物理融合建模方法 | |
| Ali et al. | Performance investigation of stand-alone induction generator based on STATCOM for wind power application. | |
| CN102801180B (zh) | 一种微电网并网等效模型的参数辨识方法 | |
| CN203218889U (zh) | 一种通用的并网式光伏发电系统机电暂态模型 | |
| Amine et al. | Adaptive fuzzy logic control of wind turbine emulator | |
| CN101854064B (zh) | 双馈感应风力发电系统基于能量的机网侧联合控制算法 | |
| CN103956767A (zh) | 一种考虑尾流效应的风电场并网稳定性分析方法 | |
| CN115455687A (zh) | 基于虚拟同步型风力发电机组的风电场动态聚合建模方法 | |
| Schreier et al. | Working regions of adjustable-speed units with doubly fed machines | |
| CN109149645B (zh) | 一种含有双馈感应式风电机组电网的暂态稳定计算方法 | |
| CN111293713B (zh) | 一种风电场风机变流器仿真模型的建立方法及仿真方法 | |
| CN111934357A (zh) | 一种风光电源联合并网的系统仿真分析方法及系统 | |
| He et al. | Damping characteristics improvement of a wind-PV-thermal-bundled power systems by coordinating optimization of controller parameters | |
| Padoan et al. | Stability study of a mixed islanded power network | |
| Yang et al. | Research on the frequency regulation strategy of virtual synchronous generator based photovoltaic power plant | |
| Huang et al. | Modeling and simulation analysis of wind-hydro hybrid power plant | |
| CN115882468B (zh) | 一种基于端口能量重塑的虚拟同步控制方法 | |
| Fedor et al. | Modeling of Electromagnetic Phenomena in Small Hydroelectric Plants | |
| CN117424294B (zh) | 一种配电网高效无功规划方法及系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |