CN205721145U - 一种双馈风力发电系统的动态实时仿真测试模型装置 - Google Patents
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Abstract
一种双馈风力发电系统的动态实时仿真测试模型装置，包括仿真系统工作站(12)、RTDS实时仿真器、GTAO模拟量输出板卡(16)、GTFPI高压数字输出接口板(17)、功率放大器(15)、线路控保装置(14)、故障录波器(13)和双馈感应风力发电机主电路。所述双馈感应风力发电机主电路包括双馈感应风力发电机(6)、风机(7)、齿轮箱(8)、转子侧变流器(1)、网侧变流器(2)、升压变压器(3)、电流互感器和三绕组变压器。本实用新型通过在RTDS系统上搭建与现场实际等值的模型，并输入系统实际运行参数来模拟仿真，这些输出结果真实地反应了在实际运行中的情形。能提高风力发电系统运行的可靠性和电网系统的安全性，具有广泛的适用性。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种双馈风力发电系统的动态实时仿真测试模型装置，属电力测试技术领域。
背景技术
随着风力发电的快速发展，风电场的规模和单机容量不断增大，风电机组出力的随机性和间歇性对整个电力系统运行所产生的影响也越来越大。同时，风电机组的并网运行一定程度上改变了系统结构和潮流分布，因而对电网保护和控制设备的安全可靠运行提出更高的要求。比如，风电机组短路特性与常规能源机组的差别较大，在故障发生时，使得故障电流大小及流向发生改变。因此，我们有必要研究出一种能够对风电机组特性的测试方法和实时仿真测试的装置，来对风电机组的短路特性、并网特性等进行动态测试，进一步判定其是否满足并网和运行的要求。
目前国内已经有对风电场短路特性及其仿真建模的相关研究，然而离线仿真软件具有无法自定义元件、仿真精度不够、不能直接与被测装置进行连接等固有缺点，无法满足继电保护等自动化设备的系统试验及控制策略验证的需求。本实用新型基于RTDS实时数字仿真技术，构建风力发电技术测试平台是解决上述问题的有效途径。
本实用新型以双馈感应风力发电机(DFIG)为对象，对风力发电系统进行模块化的仿真建模。构建基于RTDS的风力发电系统的动态实时仿真测试平台。通过在RTDS系统上搭建与现场实际等值的模型，并输入系统实际运行参数来模拟仿真，这些输出结果真实地反应了在实际运行中的情形。并在此基础上，对DFIG 工作不同运行方式下的短路特性进行研究，对影响短路特性的主要因素进行动态仿真测试。
发明内容
本实用新型的目的是，针对现有风电场短路特性及其仿真建模存在的问题，要构建一种双馈风力发电系统的动态实时仿真测试模型装置。
本实用新型的技术方案是，一种双馈风力发电系统的动态实时仿真测试模型装置包括仿真系统工作站、RTDS实时仿真器(含多块GPC/PB5板卡)、GTAO模拟量输出板卡、GTFPI高压数字输出接口板、功率放大器、线路控保装置、故障录波器和双馈感应风力发电机(DFIG)主电路。仿真系统工作站通过局域网与RTDS实时仿真器相连接，RTDS实时仿真器输出的数字信号经过GTAO板输出后连接到功率放大器的输入端，功率放大器输出的二次信号分别连接到线路控保装置和故障录波器。仿真系统工作站输出的跳合闸信号通过GTFPI板通过线路控保装置的跳闸继电器相连接，将装置的位置信号直接反馈给仿真器。电气模拟量和保护装置动作信号同时输出给故障录波器；双馈感应风力发电机主电路电流互感器电流信号和变流器的电压信号送至GTAO模拟量输出板卡。
双馈感应风力发电机主电路包括双馈感应风力发电机、风机、齿轮箱、转子侧变流器、网侧变流器、升压变压器、电流互感器和三绕组变压器；双馈感应风力发电机由风机通过齿轮箱驱动；变流器采取背靠背式整流-逆变器接三绕组变压器的级联结构，网侧变流器通过三绕组变压器和升压变压器两级升压变压器接入220kV电网系统；转子侧变流器的逆变器与双馈感应风力发电机(DFIG)的转子绕组相连，双馈感应风力发电机的定子绕组直接接入220kV电网系统。
所述三绕组变压器T1变比为k1/k2/k3，耦合变压器由三个单相接口变压器组成，原边与副边的接线方式为为Y/△连接，变比为k4/k5，变压器的变比大 小根据运行参数设定。单个变压器容量为单位为MVA，实际容量数值由运行中设备实际大小觉得。接地点K为仿真需要，选择的接地电阻单位为kΩ，其大小根据实际仿真需要设置。
所述动态实时仿真测试模型装置的系统主回路选择无穷大电源代替220kV电网系统。
动态实时仿真测试模型装置建立后可以进一步将实际所需的变压器、线路、电流互感器、系统等值等参数进行设置，使得模型更加切合实际运行工况，从而能进一步准确测试出双馈风力发电系统的短路特性。
本实用新型在构建仿真测试模型时，采取了模块化的设计方式，同时对RTDS处理器卡分配进行优化。具体优化方式如下：
(1)220kV电网系统、升压变压器及联络线在内的主网络求解采用50μs的仿真步长的计算精度，占用一块GPC卡。
(2)电源与控制电路仿真运算采用50μs的仿真步长的计算精度，占用一块GPC卡。
(3)网侧及转子侧变流器及DFIG封装成VSC子模块，该模块采用3-5μs的小步长仿真精度，子模块与主网系统通过接口变压器进行电气连接。接口变压器除实现大、小仿真步长模块的信息交互，同时可代替升压变压器，将35kV电压升高至220kV，再与电网系统连接。
RTDS实时仿真采用模块化设计，能最大限度地优化建模的处理器分配、可读性及可扩展性，各个子模块功能明确。在模拟风电场多台不同类型风电机组之间的交互影响时，在保证系统变量定义不冲突的前提下，通过添加封装有DFIG或者恒速发电机、变速直驱型永磁风力发电机的VSC子系统封装模块，通过模块化设计方法，即可实现仿真系统规模的快速扩充，提高了单个搭建模块的效 率。
本实用新型的有益效果是，实用新型的双馈风力发电系统的实时仿真测试模型装置，基于RTDS实时数字仿真技术，搭建了双馈风力发电系统的仿真模型，通过子模块的封装设计，有效利用了RTDS建模的易扩展性和可用于闭环测试的优点，搭建了实时仿真测试平台，实现对风电场不同运行方式下的短路特性进行实时仿真测试。通过测试，能进一步验证风电场内的相关继电保护装置的特性，为风电场继电保护装置正确整定提供依据，保证保护装置有效快速地切断故障，以提高风力发电系统运行的可靠性和电网系统的安全性，具有广泛的适用性。
本实用新型建立的动态实时仿真测试模型装置，适用于220kV及以下电压等级的风力发电系统。
附图说明
图1为双馈感应风力发电机(DFIG)主电路结构；
图2为动态实时仿真测试模型装置结构图；
图3为双馈风力发电系统的模拟8m/s风速时的仿真测试波形；
图4为双馈风力发电系统的模拟12m/s风速时的仿真测试波形；
图中，1是转子侧变流器；2是网侧变流器；3是升压变压器；4是电网系统；5是箱式升压变压器；6是双馈感应风力发电机；7是齿轮箱；8是风机；11是RTDS测试模型；12是仿真器工作站；13是故障录波器；14是线路控保装置；15是功率放大器；16是GTAO模拟量输出板卡；17是GTFPI高压数字输出接口板。
具体实施方式
本实用新型的具体实施方式如图2所示。本实施例一种双馈风力发电系统 的动态实时仿真测试装置包括仿真系统工作站12、RTDS实时仿真器(含多块GPC/PB5板卡)、GTAO模拟量输出板卡16、GTFPI高压数字输出接口板17、功率放大器15、线路控保装置14、故障录波器13和双馈感应风力发电机(DFIG)主电路。仿真系统工作站12通过局域网与RTDS实时仿真器相连接，RTDS实时仿真器输出的数字信号经过GTAO板输出后连接到功率放大器15的输入端，功率放大器15输出的二次信号分别连接到线路控保装置14和故障录波器13。仿真系统工作站12输出的跳合闸信号通过GTFPI板17通过线路控保装置14的跳闸继电器相连接，将装置的位置信号直接反馈给仿真器。电气模拟量和保护装置动作信号同时输出给故障录波器13；双馈感应风力发电机(DFIG)主电路电流互感器电流信号和变流器的电压信号送至GTAO模拟量输出板卡16。
双馈感应风力发电机主电路如图1所示，包括双馈感应风力发电机6、风机7、齿轮箱8、转子侧变流器1、网侧变流器2、升压变压器3、电流互感器和三绕组变压器；双馈感应风力发电机6由风机7通过齿轮箱8驱动；变流器采取背靠背式整流-逆变器接三绕组变压器的级联结构，网侧变流器2通过三绕组变压器和升压变压器3两级升压变压器接入220kV电网系统；转子侧变流器1的逆变器与双馈感应风力发电机(DFIG)6的转子绕组相连，双馈感应风力发电机的定子绕组直接接入220kV电网系统。
搭建的DFIG实时仿真模型，可模拟不同运行方式下风电场联络线上(图2中K点)发生短路故障，将故障电流与母线电压从RTDS输出，经过功率放大器，接入被测保护装置。通过模拟CT、PT采样值的实时变化，提供给保护装置进行定值整定，形成风电场继电保护装置的闭环测试平台。其中，工作站搭载RTDS配套的软件界面RSCAD，进行故障位置/类型和系统运行参数的设置，并通过以太网传输给RTDS进行实时潮流计算。
在实时仿真测试过程中分别模拟几种不同的运行方式。仿真模型中的关于风力发电机、三绕组变压器、耦合变压器和系统阻抗等相关参数设置均采用具体运行中的实际参数。该评估仿真模型，参数设置简单明了，适用于不同的电压等级风电场。
具体实例如下：某风电场的网侧整流器通过两级升压变压器接入220kV电网系统，转子侧逆变器与DFIG转子绕组相连，电机的定子绕组直接接入220kV电网系统。其中三绕组变压器变比为22.0/0.69/0.69，耦合变压器由三个单相接口变压器组成，原边/副边为Y/△连接方式，变比为132.79/22。单个变压器容量为0.83MVA，接地点为仿真需要，选择10kΩ的接地电阻。接下来就对风电系统进行仿真测试。
模拟风速在8m/s及12m/s情况下系统稳定运行后K点发生三相接地故障，故障持续时间为200ms，风机出口处电压U，电流I，输出有功功率P，无功功率Q变化曲线分别如图3和图4所示。
通过仿真测试，比较以上两种运行方式的短路特性曲线可以得出：
(1)由于DFIG具有在不同风速条件下获取最大功率的特性，风速越高，发电机出力也随之增大。
(2)故障时，发电机机端电压跌落至0，风速为8m/s时故障消失后300ms电压及发电机出力恢复到稳定运行时的水平，最大短路电流为500A；风速为12m/s时故障消失后400ms系统才能恢复到稳定运行状态，最大短路电流为600A。
因此得出本次仿真测试结论：以上差异存在是因为风速越高，DFIG出力随之升高，相应的无功需求也越大，故障后发电机需要从系统吸收的无功功率越高，机端电压因此恢复较慢。同时，风速越高，在电压变化一致的情况下，短路电流便随DFIG出力升高而变大。该仿真测试结论为风电厂的继电保护装置的 整定提供决策依据，保证保护装置正确动作能有效快速地切断故障，以提高风力发电系统运行的可靠性和电网系统的安全性。
Claims (4)
1.一种双馈风力发电系统的动态实时仿真测试模型装置，其特征在于，所述装置包括仿真系统工作站、RTDS实时仿真器、GTAO模拟量输出板卡、GTFPI高压数字输出接口板、功率放大器、线路控保装置、故障录波器和双馈感应风力发电机主电路；仿真系统工作站通过局域网与RTDS实时仿真器相连接，RTDS实时仿真器输出的数字信号经过GTAO板输出后连接到功率放大器的输入端，功率放大器输出的二次信号分别连接到线路控保装置和故障录波器；仿真系统工作站输出的跳合闸信号通过GTFPI板通过线路控保装置的跳闸继电器相连接，将装置的位置信号直接反馈给仿真器；电气模拟量和保护装置动作信号同时输出给故障录波器；双馈感应风力发电机主电路电流互感器电流信号和变流器的电压信号送至GTAO模拟量输出板卡。
2.根据权利要求1所述一种双馈风力发电系统的动态实时仿真测试模型装置，其特征在于，所述双馈感应风力发电机主电路包括双馈感应风力发电机、风机、齿轮箱、转子侧变流器、网侧变流器、升压变压器、电流互感器和三绕组变压器；双馈感应风力发电机由风机通过齿轮箱驱动；变流器采取背靠背式整流-逆变器接三绕组变压器的级联结构，网侧变流器通过三绕组变压器和升压变压器两级升压变压器接入220kV电网系统；转子侧变流器的逆变器与双馈感应风力发电机的转子绕组相连，双馈感应风力发电机的定子绕组直接接入220kV电网系统。
3.根据权利要求1所述一种双馈风力发电系统的动态实时仿真测试模型装置，其特征在于，所述RTDS实时仿真器含多块GPC/PB5板卡。
4.根据权利要求2所述一种双馈风力发电系统的动态实时仿真测试模型装置，其特征在于，所述网侧变流器、转子侧变流器及DFIG封装成VSC子模块，该模块采用3-5μs的小步长仿真精度，子模块与主网系统通过接口变压器进行电气连接。
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