CN115933429A - 一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，包括以下步骤：S1，基于RTLab仿真平台建立风电机组气动‑机械‑电气联合仿真模型；S2，配置数据接口，设置规约转换器，完成RTLab仿真平台、风机控制器以及变流器控制器之间的信息交互；S3，根据实际仿真需求，设置相应的电压源型风电机组协调控制策略；S4，通过软件和硬件参数的配置，提供不同系统仿真场景，搭建多场景实时仿真平台；S5，设置人机交互界面，对仿真数据进行处理。本发明建立风电机组气动‑机械‑电气联合仿真模型，配置各部分通讯协议，设置对应控制策略，搭建多场景实时仿真平台，开发人机交互界面，实现了仿真场景的快速切换，更为逼真地模拟了实际电力系统状态。

Description

一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法

技术领域

本发明涉及风电机组仿真平台搭建技术领域，尤其是一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法。

背景技术

电压源型风电机组是一种形成式风电机组，可通过采集到的电网频率、电压自主调整其输出的有功功率和无功功率，进行系统频率/电压主动支撑。但现阶段大规模推广的电流源型风电机组，功率响应取决于主控下发功率指令，无法自主响应。并且原控制策略不再适用于现阶段主控与变流器之间的配合策略，需对机组主控和变流器之间的配合策略进行协调优化。

风电机组是结构复杂的大型系统，其空气动力、机械部件及发电机、变流器等电气系统均对整机的并网性能有重要影响。现有的仿真技术基于单一的仿真平台，无法同时精确反映风电机组的电气和机械特性，以及机械系统与电气系统之间的相互影响，而且多采用等效电网模型，无法准确模拟电网运行状态对风电机组各部件运行影响。

在中国专利文献上公开的“一种风电机组仿真系统”，其公开号为CN112859637A，包括风电机组仿真软件、风电机组仿真硬件、PLC控制模块和连接端口，连接端口包括风电机组实物连接端口，风电机组仿真软件内配置风电机组实物端口通讯模块，风电机组实物端口通讯模块控制风电机组实物连接端口与风电机组实物之间的数据通讯；但是公开号为CN112859637A的中国专利并没涉及相应的控制策略，且无法解决上述问题。

发明内容

本发明解决了现有的仿真技术精确性和实时性差，主控与变流器之间调频调压协调控制不佳的问题，提出一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，建立风电机组气动-机械-电气联合仿真模型，配置各部分通讯协议，设置对应控制策略，搭建多场景实时仿真平台，开发人机交互界面，实现了仿真场景的快速切换，更为逼真地模拟了实际电力系统状态。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，包括以下步骤：

S1，基于RTLab仿真平台建立风电机组气动-机械-电气联合仿真模型；

S2，配置数据接口，设置规约转换器，完成RTLab仿真平台、风机控制器以及变流器控制器之间的信息交互；

S3，根据实际仿真需求，设置相应的电压源型风电机组协调控制策略；

S4，通过软件和硬件参数的配置，提供不同系统仿真场景，搭建多场景实时仿真平台；

S5，设置人机交互界面，对仿真数据进行处理。

本发明的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，首先，建立风电机组气动-机械-电气联合仿真模型，随后进行各个部分通讯协议的配置，配置完成后，根据不同的实际需求，设置相应的控制策略，并搭建多场景实时仿真平台，设置人机交互界面；本发明更为准确的模拟出电网运行状态对风电机组各部件的运行影响。

作为优选，所述步骤S3包括以下步骤：

S31，当系统频率发生波动时，计算出电压源型风电机组自主增发的有功功率ΔP，变流器控制器将实际有功功率P、增发的有功功率ΔP和机组转速n的信息反馈给机组主控；

S32，机组主控根据变流器控制器的反馈计算下发的给定转矩T_cmd，并与变流器控制器反馈转矩T_b进行对比。

本发明中，机组主控能够根据变流器控制器反馈的电气参量计算下发的给定转矩T_cmd，并与反馈转矩T_b进行对比。

作为优选，所述风电机组气动-机械-电气联合仿真模型的建立过程包括以下步骤：

S11，气动模型中，通过平均风速及横向、纵向、竖向湍流强度来建立风速模型，采用高阶非线性模型来描述其风轮模型；

S12，机械模型中，采用双质量块模型进行建模，其中风力机的惯性通过轴系与发电机转子的惯性相连；

S13，电气模型中，采用双馈异步电机模型进行建模，通过变流器控制转子dq轴电流；使用无穷大电源模拟真实电网；

S14，硬件控制设备中，对风机控制器和变流器控制器进行信号线连接及功能配置。

本发明中，风电机组气动-机械-电气联合仿真模型主要包括有气动模型、机械模型、电气模型以及硬件控制设备。

作为优选，所述步骤S2包括以下步骤：

S21，设置相应设备之间的通信方式，其中，风机控制器和RTLab仿真平台采用以太网通讯协议，风机控制器与变流器控制器采用Can通讯协议，变流器控制器与RTLab仿真平台采用模拟及数据IO；

S22，修改通讯协议之间的接口配置，选择合适接口参数，开发对应的规约转换器；

S23，配置传递变量信息，根据RTLab仿真平台、风机控制器、变流器控制器的运行控制需求，分别配置两两之间传递的信号量。

本发明中，风机控制器向变流器控制器传输转矩给定值、无功指令等信号量，向RTLab传输转速、风机运行状态等信号量；变流器控制器向风机控制器传递转矩反馈值、电流电压、有功无功反馈等信号量，向RTLab传输PWM信号、开关命令等信号量；RTLab向风机控制器传输电网频率、电压等信号量，向变流器控制器传递开关反馈、码盘等信号量。

作为优选，所述电压源型风电机组自主增发的有功功率ΔP表示为：

ΔP＝(f-f_g)·K_ω

式中，f_g为系统额定频率，f为电网的实时频率，K_ω为频率-有功下垂系数。

本发明中，电压源型风电机组自主增发的有功功率ΔP能够用于反馈转矩T_b的计算。

作为优选，所述给定转矩T_cmd与反馈转矩T_b的对比判断依据为：

|T_cmd-(P-ΔP)·n|≤T_dz

T_b＝(P-ΔP)·n

式中，T_dz为转矩保护阈值，若给定转矩T_cmd与反馈转矩T_b的偏差大于T_dz，则触发转矩不匹配保护。

本发明中，若给定转矩T_cmd与反馈转矩T_b的偏差小于或者等于T_dz，则不触发转矩不匹配保护。

作为优选，所述步骤S4具体为：

根据不同的仿真需求，设置不同电压等级、不同风机容量、不同电机参数、不同主回路参数及拓扑的联合仿真集成模型，通过软件参数配置实现仿真场景快速切换。

本发明中，还可以搭建不同电网扰动/故障工况下的系统场景模型，为控制策略设计提供更为真实的仿真验证场景。

作为优选，所述步骤S5包括以下步骤：

S51，编写人机交互界面软件，设置Ads通讯协议与风机控制器相连；

S52，设置人机交互UI界面，风机各个部件需要观测的变量状态进行展示；

S53，设置人机交互界面的日志功能，添加需要观测变量信息，把仿真数据进行采集和存储并保存为.csv文件，从系统内部导出进行处理分析；

S54，设置人机交互界面的控制指令接口，结合日志文件处理分析结果，对风机下发对应的控制指令，优化其运行状态；

S55，设置人机交互界面的故障监测功能。

本发明中，设置开发人机交互界面，对仿真数据数据进行数据采集与监测、前期数据处理与控制；采用Ads通讯与风机控制器相连，实现对电网状态及变流器状态进行可视化监控，并能够执行相应的设备控制动作。

本发明的有益效果是：

1、本发明的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，通过软件参数配置实现仿真场景快速切换，为控制策略的设置提供更为真实的仿真验证场景；

2、对电压源型风电机组主控与变流器之间的协调控制策略进行优化，防止出现功率跟踪异常情况；

3、本发明建立的仿真系统不仅可以精确反映风电机组的电气特性和机械特性，以及机械系统与电气系统之间的相互影响，还可准确地模拟出电网运行状态对风电机组各部件的运行影响。

附图说明

图1是本发明一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法的流程图；

图2是本发明一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法风电机组气动-机械-电气联合仿真模型的系统示意图。

具体实施方式

实施例：

本实施例提出一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，参考图1，包括以下多个步骤。

参考图2，对于步骤S1，首先，基于RTLab仿真平台建立风电机组气动-机械-电气联合仿真模型；具体的，对于该模型的建立，主要包括以下步骤。

步骤S11，气动模型中，通过平均风速及横向、纵向、竖向湍流强度来建立风速模型，采用高阶非线性模型来描述风轮模型；具体的，气动模型包括风模型、叶片气动模型和转子单元模型。

步骤S12，机械模型中，采用双质量块模型进行建模，其中风力机的惯性通过轴系与发电机转子的惯性相连；具体的，机械模型包括主轴模型、齿轮箱模型以及高速轴模型。

步骤S13，电气模型中，采用双馈异步电机模型进行建模，通过变流器控制转子dq轴电流；使用无穷大电源模拟真实电网；具体的，电气模型包括电机模型、风电变流器模型以及电网模型。

步骤S14，硬件控制设备中，对风机控制器和变流器控制器进行信号线连接及功能配置；

步骤S2，配置数据接口，设置规约转换器，完成RTLab仿真平台、风机控制器以及变流器控制器之间的信息交互；具体的，对于步骤S2的具体过程，还包括以下子步骤。

步骤S21，首先，设置多个设备之间的通信方式，具体的，风机控制器和RTLab仿真平台采用以太网通讯协议，风机控制器与变流器控制器采用Can通讯协议，变流器控制器与RTLab仿真平台采用模拟及数据IO。

步骤S22，修改通讯协议之间的接口配置，选择合适接口参数，开发对应的规约转换器；以实现RTLab仿真平台与风机控制器、变流器控制器三者之间相互通讯，实现信号传输。

步骤S23，配置传递变量信息，根据RTLab仿真平台、风机控制器、变流器控制器的运行控制需求，分别配置两两之间传递的信号量；具体的，风机控制器向变流器控制器传输转矩给定值、无功指令等信号量，向RTLab传输转速、风机运行状态等信号量；变流器控制器向风机控制器传递转矩反馈值、电流电压、有功无功反馈等信号量，向RTLab传输PWM信号、开关命令等信号量；RTLab向风机控制器传输电网频率、电压等信号量，向变流器控制器传递开关反馈、码盘等信号量。

步骤S3，根据实际仿真需求，设置相应的电压源型风电机组协调控制策略；具体的，其具体的设置步骤包括以下多个子步骤。

步骤S31，当系统频率发生波动时，计算出电压源型风电机组自主增发的有功功率ΔP，变流器控制器将实际有功功率P、增发的有功功率ΔP和机组转速n的信息反馈给机组主控；具体的，对于电压源型风电机组自主增发的有功功率ΔP的计算公式如下：

ΔP＝(f-f_g)·K_ω

其中，f_g为系统额定频率，f为电网的实时频率，K_ω为频率-有功下垂系数。本实施例中，电压源型风电机组自主增发的有功功率ΔP能够用于反馈转矩T_b的计算。

步骤S32，机组主控根据变流器控制器的反馈计算下发的给定转矩T_cmd，并与变流器控制器反馈转矩T_b进行对比。具体的，给定转矩T_cmd与反馈转矩T_b的对比判断依据具体为：

|T_cmd-(P-ΔP)·n|≤T_dz

T_b＝(P-ΔP)·n

其中，T_dz为转矩保护阈值，若给定转矩T_cmd与反馈转矩T_b的偏差大于T_dz，则触发转矩不匹配保护。本实施例中，机组主控能够根据变流器控制器反馈的电气参量计算下发的给定转矩T_cmd，并与反馈转矩T_b进行对比；若给定转矩T_cmd与反馈转矩T_b的偏差小于或者等于T_dz，则不触发转矩不匹配保护。

步骤S4，通过软件和硬件参数的配置，提供不同系统仿真场景，搭建多场景实时仿真平台；具体的，该步骤能够根据不同的仿真需求，设置不同电压等级、不同风机容量、不同电机参数、不同主回路参数及拓扑的联合仿真集成模型，通过软件参数配置实现仿真场景快速切换。

本实施例中，还可以搭建不同电网扰动/故障工况下的系统场景模型，为控制策略设计提供更为真实的仿真验证场景。

步骤S5，设置人机交互界面，对仿真数据进行处理。该步骤包括以下子步骤。

步骤S51，编写人机交互界面软件，设置Ads通讯协议与风机控制器相连；本实施例具体采用C#程序进行编写。

步骤S52，设置人机交互UI界面，风机各个部件需要观测的变量状态进行展示；即可实现可视化监控。

步骤S53，设置人机交互界面的日志功能，添加需要观测变量信息，把仿真数据进行采集和存储并保存为.csv文件，从系统内部导出进行处理分析；保证仿真数据的处理和分析。

步骤S54，设置人机交互界面的控制指令接口，结合日志文件处理分析结果，对风机下发对应的控制指令，优化其运行状态。

步骤S55，设置人机交互界面的故障监测功能。本实施例中，若风电机组发生故障，人机交互界面将会显示故障代码以及故障名称，实现故障的监测。

本发明的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，首先，建立风电机组气动-机械-电气联合仿真模型，随后进行各个部分通讯协议的配置，配置完成后，根据不同的实际需求，设置相应的控制策略，并搭建多场景实时仿真平台，设置人机交互界面；本发明更为准确的模拟出电网运行状态对风电机组各部件的运行影响。

本实施例中，风电机组气动-机械-电气联合仿真模型主要包括有气动模型、机械模型、电气模型以及硬件控制设备。

本实施例中，设置开发人机交互界面，对仿真数据数据进行数据采集与监测、前期数据处理与控制；采用Ads通讯与风机控制器相连，实现对电网状态及变流器状态进行可视化监控，并能够执行相应的设备控制动作。

上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，基于RTLab仿真平台建立风电机组气动-机械-电气联合仿真模型；

S2，配置数据接口，设置规约转换器，完成RTLab仿真平台、风机控制器以及变流器控制器之间的信息交互；

S3，根据实际仿真需求，设置相应的电压源型风电机组协调控制策略；

S4，通过软件和硬件参数的配置，提供不同系统仿真场景，搭建多场景实时仿真平台；

S5，设置人机交互界面，对仿真数据进行处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S31，当系统频率发生波动时，计算出电压源型风电机组自主增发的有功功率ΔP，变流器控制器将实际有功功率P、增发的有功功率ΔP和机组转速n的信息反馈给机组主控；

S32，机组主控根据变流器控制器的反馈计算下发的给定转矩T_cmd，并与变流器控制器反馈转矩T_b进行对比。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，其特征在于，所述风电机组气动-机械-电气联合仿真模型的建立过程包括以下步骤：

S11，气动模型中，通过平均风速及横向、纵向、竖向湍流强度来建立风速模型，采用高阶非线性模型来描述其风轮模型；

S12，机械模型中，采用双质量块模型进行建模，其中风力机的惯性通过轴系与发电机转子的惯性相连；

S13，电气模型中，采用双馈异步电机模型进行建模，通过变流器控制转子dq轴电流；使用无穷大电源模拟真实电网；

S14，硬件控制设备中，对风机控制器和变流器控制器进行信号线连接及功能配置。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S21，设置相应设备之间的通信方式，其中，风机控制器和RTLab仿真平台采用以太网通讯协议，风机控制器与变流器控制器采用Can通讯协议，变流器控制器与RTLab仿真平台采用模拟及数据IO；

S22，修改通讯协议之间的接口配置，选择合适接口参数，开发对应的规约转换器；

S23，配置传递变量信息，根据RTLab仿真平台、风机控制器、变流器控制器的运行控制需求，分别配置两两之间传递的信号量。

5.根据权利要求2所述的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，其特征在于，所述电压源型风电机组自主增发的有功功率ΔP表示为：

ΔP＝(f-f_g)·K_ω

式中，f_g为系统额定频率，f为电网的实时频率，K_ω为频率-有功下垂系数。

6.根据权利要求2所述的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，其特征在于，所述给定转矩T_cmd与反馈转矩T_b的对比判断依据为：

|T_cmd-(P-ΔP)·n|≤T_dz

T_b＝(P-ΔP)·n

式中，T_dz为转矩保护阈值，若给定转矩T_cmd与反馈转矩T_b的偏差大于T_dz，则触发转矩不匹配保护。

7.根据权利要求3所述的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，其特征在于，所述步骤S4具体为：

根据不同的仿真需求，设置不同电压等级、不同风机容量、不同电机参数、不同主回路参数及拓扑的联合仿真集成模型，通过软件参数配置实现仿真场景快速切换。

8.根据权利要求1所述的一种基于电压源型风电机组的实时仿真系统搭建方法，其特征在于，所述步骤S5包括以下步骤：

S51，编写人机交互界面软件，设置Ads通讯协议与风机控制器相连；

S52，设置人机交互UI界面，风机各个部件需要观测的变量状态进行展示；

S53，设置人机交互界面的日志功能，添加需要观测变量信息，把仿真数据进行采集和存储并保存为.csv文件，从系统内部导出进行处理分析；

S54，设置人机交互界面的控制指令接口，结合日志文件处理分析结果，对风机下发对应的控制指令，优化其运行状态；

S55，设置人机交互界面的故障监测功能。

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