CN203102283U

CN203102283U - 一种基于实时数字仿真仪rtds的风电场建模仿真系统

Info

Publication number: CN203102283U
Application number: CN2013200621188U
Authority: CN
Inventors: 吴涛; 金海峰; 许晓菲; 江长明; 曹天植; 高洵; 李善颖; 贾琳; 梁玉枝
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power Research Institute Co Ltd; North China Grid Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power Research Institute Co Ltd; North China Grid Co Ltd
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2023-02-01

Abstract

本实用新型实施例提供一种基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统，所述基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统包括：RTDS电网仿真装置、RTDS风电场仿真装置和双馈风机变流器，其中：所述RTDS电网仿真装置，用于仿真电网；所述RTDS风电场仿真装置，分别与所述RTDS电网仿真装置和所述双馈风机变流器相连接，用于仿真风电场，并通过与所述RTDS电网仿真装置配合以对所述双馈风机变流器进行性能检测的技术手段，所以达到了如下的技术效果：该系统可以仿真风电场的静态运行特性以及故障情况下风电场与电网的动态交互过程，复现电网运行事故，并对双馈风机变流器进行性能检测，分析事故发生机理。

Description

一种基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统。

背景技术

电力系统仿真作为重要的技术手段，对于安排电网运行控制、电力系统事故预想以及紧急控制措施均起着举足轻重的作用。随着风电并网规模的进一步扩大，风电接入对原有电力系统运行的负面影响逐渐凸显，严重情况下甚至会威胁到原有电网的安全稳定。因此，对风电场内部进行详细建模仿真变得日益迫切。

鉴于双馈风机的应用占有较高比例的事实，对双馈风机进行详细的建模又成为风电场建模仿真工作中的重头戏。由于双馈风机的变流器采用了有功功率和无功功率的解耦控制，为达到解耦控制的目标，双馈风机变流器控制器的数学模型中必须引进复杂的坐标变换，而坐标变换使双馈风机变流器的数学模型及其控制逻辑变得庞杂又困难。

目前国内使用的电力系统仿真软件普遍对双馈风机变流器的建模较为粗略，大多数模型根本没有涉及PQ解耦控制，仅仅用一种简单的等值机或等值电流源代替，使双馈风机的控制特色几乎消失殆尽，因而仿真的结果不能客观的反映双馈风机的真实响应。随着风电接入规模的扩大，这种仿真带来的误差将不能容忍。

BPA（Bonneville Power Administration，由美国邦纳维尔电力局开发的潮流（LF）和暂态稳定程序（TSP），如今多指PSD-BPA程序，通称中国版本的BPA）是目前国内电力系统最常用的仿真软件，但仿真中将双馈风机的变流器做简化处理，采用的是代数方程而非微分方程的形式，忽略了磁通的动态变化过程，仅仅将双馈风机变流器等效为一个可控的电流源，完全不能体现双馈风机有功功率和无功功率解耦控制的控制特点。

上述将双馈风机变流器仅仅等效为一个可控电流源的方法，由于其忽略了动态过程，因此在进行电力系统静态稳定分析时是可行的。但鉴于目前风电大规模接入电网的事实，风电与电网之间的交互过程是动态瞬变的，严重情况下发生电压失稳的过程非常迅速，可能只有几十毫秒就已经造成灾难性的后果，因此风电接入电网的仿真不可避免的要进行动态过程的分析，纯静态的分析方法是不够的。

实用新型内容

本实用新型实施例提供一种基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统，以通过动态过程较为准确地对双馈风机变流器进行性能检测。

为了达到上述技术目的，本实用新型实施例提供了一种基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统，所述基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统包括：RTDS电网仿真装置、RTDS风电场仿真装置和双馈风机变流器，其中：

所述RTDS电网仿真装置，用于仿真电网；

所述RTDS风电场仿真装置，分别与所述RTDS电网仿真装置和所述双馈风机变流器相连接，用于仿真风电场，并通过与所述RTDS电网仿真装置配合以对所述双馈风机变流器进行性能检测。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述RTDS电网仿真装置仿真的电网中包括：发电机、变压器、多电压等级输电线路以及负荷。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述RTDS风电场仿真装置仿真的风电场中包括：齿轮箱、风机、箱变、风场主变、滤波支路和SVC或SVG设备。

可选的，在本实用新型一实施例中，所述双馈风机变流器由转子侧变流器和电网侧变流器组成。

上述技术方案具有如下有益效果：因为采用所述基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统包括：RTDS电网仿真装置、RTDS风电场仿真装置和双馈风机变流器，其中：所述RTDS电网仿真装置，用于仿真电网；所述RTDS风电场仿真装置，分别与所述RTDS电网仿真装置和所述双馈风机变流器相连接，用于仿真风电场，并通过与所述RTDS电网仿真装置配合以对所述双馈风机变流器进行性能检测的技术手段，所以达到了如下的技术效果：该系统可以仿真风电场的静态运行特性以及故障情况下风电场与电网的动态交互过程，复现电网运行事故，并对双馈风机变流器进行性能检测，分析事故发生机理。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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为本实用新型实施例一种基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统结构示意图；

图2为本实用新型应用实例提出的一种风电场建模仿真系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，为本实用新型实施例一种基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统结构示意图，所述基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统包括：RTDS电网仿真装置11、RTDS风电场仿真装置12和双馈风机变流器13，其中：

所述RTDS电网仿真装置11，用于仿真电网；

所述RTDS风电场仿真装置12，分别与所述RTDS电网仿真装置11和所述双馈风机变流器13相连接，用于仿真风电场，并通过与所述RTDS电网仿真装置11配合以对所述双馈风机变流器13进行性能检测。

可选的，所述RTDS电网仿真装置11仿真的电网中包括：发电机、变压器、多电压等级输电线路以及负荷。

可选的，所述RTDS风电场仿真装置12仿真的风电场中包括：齿轮箱、风机、箱变、风场主变、滤波支路和SVC或SVG设备。

可选的，所述双馈风机变流器13由转子侧变流器和电网侧变流器组成。

本实用新型实施例上述技术方案具有如下有益效果：因为采用所述基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统包括：RTDS电网仿真装置、RTDS风电场仿真装置和双馈风机变流器，其中：所述RTDS电网仿真装置，用于仿真电网；所述RTDS风电场仿真装置，分别与所述RTDS电网仿真装置和所述双馈风机变流器相连接，用于仿真风电场，并通过与所述RTDS电网仿真装置配合以对所述双馈风机变流器进行性能检测的技术手段，所以达到了如下的技术效果：该系统可以仿真风电场的静态运行特性以及故障情况下风电场与电网的动态交互过程，复现电网运行事故，并对双馈风机变流器进行性能检测，分析事故发生机理。

以下举应用实例进行详细说明：

如图2所示，为本实用新型应用实例提出的一种风电场建模仿真系统结构示意图，其可以较好的体现双馈风机有功功率和无功功率的解耦控制，准确体现风电场在静态和动态过程中行为特性，为电力系统运行提供技术指导。本仿真系统可以实现下面的功能：

仿真模拟大规模风电汇集地区电网的静态运行特性，揭示风电场与电网的动态交互过程；

仿真双馈风机变流器的PQ解耦控制；

复现电网运行事故，分析事故发生机理。

本实用新型应用实例提出的风电场建模仿真系统是基于实时数字仿真软件RTDS（Real Time Digital Simulator，实时数字仿真仪）建立的，风电场建模仿真系统结构的示意图见图2，其中包含了RTDS电网仿真装置11、RTDS风电场仿真装置12和双馈风机变流器13，其中，RTDS电网仿真装置11、RTDS风电场仿真装置12用于分别仿真一个风电场和一个电网，其中风电场中包括齿轮箱、风机、箱变、风场主变、滤波支路和SVC或SVG等设备，电网部分是一个包含发电机、变压器、多电压等级输电线路以及负荷组成的系统，风电场部分包括风机及其变流器、箱变、风电场风场主变等元件，整个平台完全根据需要分别由RTDS搭建完成。

本实用新型应用实例引进了坐标变换，采用自定义方式搭建了双馈风机PQ解耦控制逻辑，对双馈风机转子侧变流器和电网侧变流器分别引进了不同的坐标变换，即转子侧变流器采用定子磁链定向矢量控制，电网侧变流器采用电网电压定向矢量控制。这是目前许多仿真软件不能做到的。

详细的控制原理论述如下：

转子侧变流器采用定子磁链定向矢量控制，d轴沿定子磁场方向，定子磁通的q轴分量为零，则U_sd=0。忽略定子侧电阻，定子有功功率P_s和无功功率Q_s为：

\{\begin{matrix} P_{s} = - \frac{3}{2} ω_{s} ψ_{s} \frac{L_{m}}{L_{s}} i_{rq} \\ Q_{s} = \frac{3}{2} (\frac{ω_{s} ψ_{s}^{2}}{L_{s}} - \frac{ω_{s} ψ_{s} L_{m}}{L_{s}} i_{rd}) \end{matrix}

由上式可以看出，转子电流的q轴分量i_rq可以实现对双馈风机定子有功功率P_s的控制，而d轴分量i_rd可以实现对双馈风机定子无功功率Q_s的控制。其中，ω_s为定子在旋转坐标下的旋转角速度，ψ_s为定子的d轴磁链，L_m为定子和转子之间的互感，L_S为定子的电感。

电网侧变流器采用电网电压定向矢量控制。d轴沿定子电压方向，q轴在旋转方向上超前d轴90°，则U_q=0，进而可以得到电网侧变换器与电网交换的有功与无功表达式如下：

\{\begin{matrix} P_{g} = \frac{3}{2} u_{gd} i_{gd} \\ Q_{g} = - \frac{3}{2} u_{gd} i_{gq} \end{matrix}

由上式可以看出，电网侧变流器与电网之间交换的有功功率P_g和无功功率Q_g将分别受控于电网侧变流器与电网之间的电流分量i_gd和i_gq。其中，u_gd为电网电压的d轴分量。

本仿真系统可实现下面的功能：

⑴仿真模拟大规模风电汇集地区电网的静态和动态运行特性；

⑵仿真双馈风机变流器的PQ解耦控制；

⑶复现电网运行事故，分析事故发生机理。

本仿真系统具体实施方式：

（1）建立基于RTDS的仿真系统，选择系统中各元件的技术参数，制定合适的电网运行方式。

（2）制造一个小扰动，确定静态情况下双馈风机变流器的调节效果。

（3）制造一个大扰动（如电网发生短路故障），确定动态情况下双馈风机变流器的调节效果。

（4）在确定（2）和（3）调节效果与理论效果一致的基础上，仿真电力系统的多种运行工况，观察仿真运行结果，为安排电网运行方式、制定紧急控制措施并对双馈风机变流器进行性能检测，以及事故复现和机理分析提供技术指导。

本实用新型应用实例技术方案带来的有益效果：本实用新型应用实例提出了一种风电场建模仿真系统,系统中对双馈风机引进了复杂的坐标变换，严格根据双馈风机的PQ解耦控制理论，用自定义方式建立了双馈风机及其变流器的详细模型。该系统可以仿真风电场的静态运行特性以及故障情况下风电场与电网的动态交互过程，复现电网运行事故，分析事故发生机理。对于由于风电接入电网后系统运行方式的安排、事故复现和机理分析以及电网紧急情况下控制措施的制定和效果评估，本平台均可提供较为准确的技术指导，以尽可能避免风电接入电网引起的系统失稳事故以及由此带来的巨大经济损失。

本领域技术人员还可以了解到本实用新型实施例列出的各种说明性逻辑块（illustrative logical block），单元，和步骤可以通过电子硬件、电脑软件，或两者的结合进行实现。为清楚展示硬件和软件的可替换性（interchangeability），上述的各种说明性部件（illustrative components），单元和步骤已经通用地描述了它们的功能。这样的功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本实用新型实施例保护的范围。

本实用新型实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元，或装置都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路（ASIC），现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为微处理器，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和微处理器，多个微处理器，一个或多个微处理器联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。

本实用新型实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。

在一个或多个示例性的设计中，本实用新型实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线（DSL）或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片（disk）和磁盘（disc）包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统，其特征在于，所述基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统包括：RTDS电网仿真装置、RTDS风电场仿真装置和双馈风机变流器，其中：

所述RTDS电网仿真装置，用于仿真电网；

2.如权利要求1所述基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统，其特征在于，

所述RTDS电网仿真装置仿真的电网中包括：发电机、变压器、多电压等级输电线路以及负荷。

3.如权利要求1所述基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统，其特征在于，

所述RTDS风电场仿真装置仿真的风电场中包括：齿轮箱、风机、箱变、风场主变、滤波支路和SVC或SVG设备。

4.权利要求1所述基于实时数字仿真仪RTDS的风电场建模仿真系统，其特征在于，

所述双馈风机变流器由转子侧变流器和电网侧变流器组成。