CN106054854B - 一种基于实时仿真的风电控制器并网测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于实时仿真的风电控制器并网测试***，所述***包括：虚拟电网、接口转换模块1、风电机组控制器、接口转换模块2、实时仿真器硬件、风电机组软件仿真模型，所述风电机组控制器通过所述接口转换模块1与所述虚拟电网连接；所述风电机组控制器通过所述接口转换模块2与所述实时仿真器硬件连接，所述风电机组软件仿真模型构建于所述实时仿真器硬件上；实现了***设计合理，高效准确的进行测试的技术效果。
Description
技术领域
本发明涉及新能源并网检测***设计及应用技术领域，具体地，涉及一种基于实时仿真的风电控制器并网测试***。
背景技术
大规模风电机组接入电网时，正常工作时其输出功率的波动会引起电网电压波动。同时，风电机组故障时的短路电流会对电网安全稳定性和可靠性造成一定影响。此外，目前风电机组变流器的控制策略主要是针对理想电网条件设计，当电网出现电压幅值跌落、三相电压不平衡等电网故障以及背景电压存在畸变时，***的完全解耦得不到保证，控制***动态性能将会恶化，无法保证风电机组的安全运行。进行风电机组在不同电网条件下的并网测试，既可研究风电机组在故障条件下的动态性能，从而优化风电机组控制策略，又能测试和优化风电场的涉网保护装置，提高电力***的安全稳定运行水平。
现有的风电机组并网测试方法主要有：模型仿真、对拖平台测试和现场测试。模型仿***要是应用Matlab、PowerFactory、PSCAD等仿真软件建立风电机组和电网的模型进行仿真分析，该方法对于测试控制算法和主控程序很有效，但无法测试实时性。对拖平台测试是利用电动机、发电机全功率模拟对拖平台模拟实际风电机组，该方法适用于部分工况测试和研发试验，占地大，成本高。现场测试可以较全面地反映风电机组的真实并网特性，但试验周期长、成本高、风险大。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种基于实时仿真的风电控制器并网测试***。本***基于实测数据建模的方法，在实时仿真器硬件上构建风速模型、风力机及传动***模型和变流器模型，最大程度地模拟真实运行环境，通过接口转换模块与风电机组主控***控制器、变桨控制器和变流器控制器硬件进行连接和数据交换。一方面，利用实测数据对风电机组***仿真模型进行校核，可以得到较为准确的风电机组***仿真模型，另一方面，可为风电控制器提供通用的硬件实时仿真测试平台，有利于快速实现风电机组控制算法和保护功能的开发、测试和评估。此外，本***还根据实测数据在工控机或PC上构建了虚拟电网，并通过接口转换模块与实时仿真器硬件进行连接和数据交换，从而实现风电机组运行与并网特性的***性仿真评估与测试。
为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：
提供一种基于实时仿真的风电控制器并网测试***及方法。本***包括虚拟电网、接口转换模块1、风电机组控制器、接口转换模块2、实时仿真器硬件和风电机组软件仿真模型。虚拟电网模拟复杂电网的不同状态，通过接口转换模块1将电网数据发送到实时仿真器硬件，实时仿真器硬件将电网数据送到风电机组***软件仿真模型。风电机组控制器通过接口转换模块2向实时仿真器硬件发送控制信号，实时仿真器硬件将控制信号送到风电机组***软件仿真模型。风电机组***软件仿真模型执行接收到的控制信号，生成风机运行数据和风机控制所需的反馈信号，通过实时仿真器硬件和接口转换模块1将风机运行数据发送到虚拟电网，并通过实时仿真器硬件和接口转换模块2将反馈信号发送到风电机组控制器。
所述虚拟电网由硬件和软件构成。所述虚拟电网硬件包括CPU模块、I/O模块和通讯模块，所述CPU模块采用工业PLC或PC构成。所述虚拟电网软件构建于通用仿真软件环境中，如 Matlab、Labview 等。所述虚拟电网可通过人机界面和通讯接口来控制，用于切换工作模式和设置数据。所述虚拟电网采用实测数据建模，可模拟正常电网状态和电网故障状态，包括电压幅值跌落、电压幅值过高、三相电压不平衡和电压谐波失真。
所述接口转换模块1包括数字I/O接口和通信模块，所述接口转换模块2包括数字I/O接口、模拟I/O接口和通信模块。所述通信模块的通信协议为以下一种或多种：Modbus、Canopen、RS485、RS232。
所述风电机组控制器包括风电机组主控***、变流器控制***和风电机组变桨***。所述风电机组主控***硬件采用PLC控制器或微处理器，通过软件程序执行风电机组的主控、运行和保护功能。所述变流器控制***硬件采用DSP处理器、FPGA处理器、ARM处理器中的一种或多种，通过软件程序执行变流器算法、变流器PWM调制信号的发生和变流器的保护功能，所述风电机组变桨***硬件采用PLC控制器或微处理器，通过软件程序实现变桨算法的执行和变桨动作指令的上传与下发。。
所述实时仿真器硬件包括CPU模块、I/O模块和通讯模块，所述CPU模块采用高性能PLC或FPGA处理器，也可采用集成的商用仿真器硬件，如RT-LAB或RTDS等。所述实时仿真器硬件搭载实时操作***，所述风电机组软件仿真模型构建于所述实时操作***之上。
所述风电机组软件仿真模型包括风速模型、风力机空气动力学模型、传动***模型、桨距角执行机构模型、发电机模型、风机侧变流器模型、电网侧变流器模型和撬棒保护控制电路模型。所述风速模型用于模拟实际运行的风速；所述风机空气动力学模型将风速转换为风能功率；所述传动***模型将电动机转速和风速转换为电机的机械转矩；所述桨距角执行机构模型用于调节桨距角，进而控制风机功率；所述发电机模型用于实现风机的功率控制；所述风机侧变流器模型用于实现励磁与转矩的解耦控制以及发电机转速调节；所述电网侧变流器模型用于实现输出有功功率和无功功率的解耦控制，以及直流母线电压控制；所述撬棒保护控制电路模型用于实现转子的故障保护。
所述风速模型由基本风模型、阵风模型、渐变风模型、随机风模型组成；所述基本风模型根据实际风况的时域及空域分布模型生成，所述基本风模型用于模拟正常运行风速；所述阵风模型模拟风速突变；所述渐变风模型用于模拟风速随时间渐变；所述随机风模型用于模拟不可预测风速扰动。所述风速模型也可采用实测数据。
所述虚拟电网和风速模型的仿真步长设置较长，所述风力机空气动力学模型和变流器模型的仿真步长设置较短，前者为后者的 10-20倍，以达到提高仿真精度和降低仿真时间的效果。
本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
（1）本***可为风电控制器提供通用的硬件实时仿真测试平台，可在实验室环境下进行风电机组主控***控制器、变桨***控制器和变流器控制器程序的设计与实时测试，有利于快速实现风电机组控制算法和保护功能的开发、测试和评估。
（2）本***利用实测数据对风电机组***仿真模型进行校核，可以得到较为准确的风电机组***仿真模型，有利于后续实现风电场聚合等值建模和风电场对于电力***稳定性的影响研究。
（3）本***根据实测数据在工控机或PC上构建了虚拟电网，并通过接口转换模块与实时仿真器硬件进行连接和数据交换，有利于实现风电机组运行与并网特性的***性仿真评估与测试。
（4）本***利用虚拟电网模拟不同电网故障状态，包括电压幅值跌落、电压幅值过高、三相电压不平衡和电压谐波失真等，可以测试风电机组在电网故障状态下的电气特性，有利于快速实现风电机组控制器的控制算法和保护功能的优化。
（5）本***通过修改虚拟电网的软件程序，也能为不同种类的新能源并网设备提供通用的模拟电网测试平台，应用非常广泛。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1是基于实时仿真的风电控制器并网测试***的组成示意图；
图2是风电机组软件仿真模型的组成示意图；
图3是基于实时仿真的风电控制器并网测试***示意图。
具体实施方式
面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本***基于实测数据建模的方法，在实时仿真器硬件上构建风速模型、风力机及传动***模型和变流器模型，最大程度地模拟真实运行环境，通过接口转换模块与风电机组主控***控制器、变桨控制器和变流器控制器硬件进行连接和数据交换。一方面，利用实测数据对风电机组***仿真模型进行校核，可以得到较为准确的风电机组***仿真模型，另一方面，可为风电控制器提供通用的硬件实时仿真测试平台，有利于快速实现风电机组控制算法和保护功能的开发、测试和评估。此外，本***还根据实测数据在工控机上构建了虚拟电网，并通过接口转换模块与实时仿真器硬件进行连接和数据交换，从而实现风电机组运行与并网特性的***性仿真评估与测试。
如图1，虚拟电网模拟复杂电网的不同状态，通过接口转换模块1将电网数据发送到实时仿真器硬件，实时仿真器硬件将电网数据送到风电机组***软件仿真模型。风电机组控制器通过接口转换模块2向实时仿真器硬件发送控制信号，实时仿真器硬件将控制信号送到风电机组***软件仿真模型。风电机组***软件仿真模型执行接收到的控制信号，生成风机运行数据和风机控制所需的反馈信号，通过实时仿真器硬件和接口转换模块1将风机运行数据发送到虚拟电网，并通过实时仿真器硬件和接口转换模块2将反馈信号发送到风电机组控制器。
所述虚拟电网由硬件和软件构成。所述虚拟电网硬件包括CPU模块、I/O模块和通讯模块，所述CPU模块采用工业PLC构成。所述虚拟电网软件构建于通用仿真软件环境中。所述虚拟电网可通过人机界面和通讯接口来控制，用于切换工作模式和设置数据。所述虚拟电网采用实测数据建模，可模拟正常电网状态和电网故障状态，包括电压幅值跌落、电压幅值过高、三相电压不平衡和电压谐波失真。
所述接口转换模块1包括数字I/O接口和通信模块，所述接口转换模块2包括数字I/O接口、模拟I/O接口和通信模块。所述通信模块的通信协议为Modbus和RS485。
所述风电机组控制器包括风电机组主控***、变流器控制***和风电机组变桨***。所述风电机组主控***硬件采用PLC控制器，通过软件程序执行风电机组的主控、运行和保护功能。所述变流器控制***硬件采用DSP处理器、FPGA处理器和ARM处理器相结合，通过软件程序执行变流器算法、变流器PWM调制信号的发生和变流器的保护功能。
所述实时仿真器硬件包括CPU模块、I/O模块和通讯模块，所述CPU模块采用集成的商用仿真器硬件。所述实时仿真器硬件搭载实时操作***，所述风电机组软件仿真模型构建于所述实时操作***之上。
如图2，所述风电机组软件仿真模型包括风机模型和变流器模型，其中风机模型包括风速模型、风力机空气动力学模型、传动***模型、桨距角执行机构模型、发电机模型，变流器模型包括风机侧PWM变流器模型、电网侧PWM变流器模型和Crowbar保护控制电路模型。
所述风速模型采用实测数据。
所述虚拟电网和风速模型的仿真步长设置为50μs，所述风力机空气动力学模型和变流器模型的仿真步长设置为5μs。
如图3，所述基于实时仿真的风电控制器并网测试***，所述虚拟电网通过通信电路和数字I/O接口向所述实时仿真硬件平台发送电网数据，所述实时仿真硬件平台通过通信电路向所述虚拟电网发送风力发电模型运行数据。所述风电机组变桨控制器向所述实时仿真硬件平台上的风机动力部分模型发送桨距控制指令，所述风电机组变流器控制***向所述实时仿真硬件平台上的变流器部分模型发送PWM驱动指令，所述实时仿真硬件平台通过信号检测电路向风电机组控制器发送反馈信号。
所述基于实时仿真的风电控制器并网测试***和方法具有实时性，利用所述***和方法可在实验室环境下进行风电机组主控***控制器、变桨***控制器和变流器控制器程序的设计与实时测试，有利于快速实现风电机组控制算法和保护功能的开发、测试和评估。
上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：
（1）本***可为风电控制器提供通用的硬件实时仿真测试平台，可在实验室环境下进行风电机组主控***控制器、变桨***控制器和变流器控制器程序的设计与实时测试，有利于快速实现风电机组控制算法和保护功能的开发、测试和评估。
（2）本***利用实测数据对风电机组***仿真模型进行校核，可以得到较为准确的风电机组***仿真模型，有利于后续实现风电场聚合等值建模和风电场对于电力***稳定性的影响研究。
（3）本***根据实测数据在工控机或PC上构建了虚拟电网，并通过接口转换模块与实时仿真器硬件进行连接和数据交换，有利于实现风电机组运行与并网特性的***性仿真评估与测试。
（4）本***利用虚拟电网模拟不同电网故障状态，包括电压幅值跌落、电压幅值过高、三相电压不平衡和电压谐波失真等，可以测试风电机组在电网故障状态下的电气特性，有利于快速实现风电机组控制器的控制算法和保护功能的优化。
（5）本***通过修改虚拟电网的软件程序，也能为不同种类的新能源并网设备提供通用的模拟电网测试平台，应用非常广泛。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (4)
1.一种基于实时仿真的风电控制器并网测试***，其特征在于，所述***包括：
虚拟电网、接口转换模块1、风电机组控制器、接口转换模块2、实时仿真器硬件、风电机组软件仿真模型，所述风电机组控制器通过所述接口转换模块1与所述虚拟电网连接；所述风电机组控制器通过所述接口转换模块2与所述实时仿真器硬件连接，所述风电机组软件仿真模型构建于所述实时仿真器硬件上；其中，虚拟电网用于模拟实际电网，通过接口转换模块1将虚拟电网数据发送到实时仿真器硬件，实时仿真器硬件将虚拟电网数据送到风电机组软件仿真模型；风电机组控制器通过接口转换模块2向实时仿真器硬件发送控制信号，实时仿真器硬件将控制信号送到风电机组软件仿真模型；风电机组软件仿真模型执行接收到的控制信号，生成风机运行数据和风机控制所需的反馈信号，通过实时仿真器硬件和接口转换模块1将风机运行数据发送到虚拟电网，并通过实时仿真器硬件和接口转换模块2将反馈信号发送到风电机组控制器；
所述风电机组软件仿真模型包括：风速模型、风力机空气动力学模型、传动***模型、桨距角执行机构模型、发电机模型、风机侧变流器模型、电网侧变流器模型和撬棒保护控制电路模型；
所述风力机空气动力学模型和变流器模型的仿真步长位于第一预设范围内，所述虚拟电网和风速模型的仿真步长位于第二预设范围内，其中，第一预设范围由变流器的开关频率决定，第二预设范围为所述第一预设范围的10-20倍；所述虚拟电网由硬件部分和软件部分构成，所述虚拟电网硬件部分包括：CPU模块、I/O模块和通讯模块，所述虚拟电网能够通过人机界面和通讯接口来控制，用于切换工作模式和设置数据；所述虚拟电网采用实测数据建模，能够模拟正常电网状态和电网故障状态，电网故障状态包括：电压幅值跌落、电压幅值过高、三相电压不平衡和电压谐波失真；
所述风速模型由基本风模型、阵风模型、渐变风模型、随机风模型组成；所述基本风模型根据实际风况的时域及空域分布模型生成，所述基本风模型用于模拟正常运行风速；所述阵风模型模拟风速突变；所述渐变风模型用于模拟风速随时间渐变；所述随机风模型用于模拟不可预测风速扰动。
2.根据权利要求1所述的基于实时仿真的风电控制器并网测试***，其特征在于，所述接口转换模块1包括：数字I/O接口和通信模块，所述接口转换模块2包括：数字I/O接口、模拟I/O接口和通信模块。
3.根据权利要求1所述的基于实时仿真的风电控制器并网测试***，其特征在于，所述风电机组控制器包括：风电机组主控***、变流器控制***和风电机组变桨***；所述风电机组主控***硬件采用PLC控制器或微处理器，通过软件程序执行风电机组的主控、运行和保护功能；所述变流器控制***硬件采用DSP处理器、FPGA处理器、ARM处理器中的一种或多种，通过软件程序执行变流器算法、变流器脉冲宽度调制信号的发生和变流器的保护功能；所述风电机组变桨***硬件采用PLC控制器或微处理器，通过软件程序实现变桨算法的执行和变桨动作指令的上传与下发。
4.根据权利要求1所述的基于实时仿真的风电控制器并网测试***，其特征在于，所述实时仿真器硬件包括：CPU模块、I/O模块和通讯模块，所述实时仿真器硬件安装有实时操作***，所述风电机组软件仿真模型构建于所述实时操作***上。
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