变流器硬件性能在环测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及光储变流器技术领域，特别涉及一种变流器硬件性能在环测试方法及使用该方法的变流器硬件性能在环测试系统。

背景技术

储能变流器为储能电站的核心设备，其并网性能与储能电站安全、稳定接入电网息息相关。目前行业尚无相关标准，随着近几年国家新能源配储能越来越重视，此类装置需求量越来越大，应用已相当广泛。近年来储能变流器测试需求出现了较大变化，其单机容量大、模块化、高直流电压输入、高交流电压输出为其发展方向。型式试验硬件平台的功率和电压等级已经无法满足储能变流器的升级发展。因此采用储能变流器电气性能硬件在环仿真测试，成为大功率变流器并网性能、网源交互测试的一种有效验证手段。测试系统硬件精度、模型准确度和测试方法均会影响储能变流器硬件在环仿真试验结果的正确性。

申请号2019112676893、名称为多电源切换变流器测试系统的中国发明专利申请，公开了一种型式试验硬件平台，但是随着技术发展这种型式试验硬件平台的功率和电压等级已经无法满足储能变流器的升级发展。例如MW级储能变流器型式试验以及级联式储能变流器。

因此，针对现有技术不足，提供一种变流器硬件性能在环测试方法及变流器硬件性能在环测试系统以解决现有技术不足甚为必要。

发明内容

本发明的其中一个目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种变流器硬件性能在环测试系统。该变流器硬件性能在环测试系统是搭建交流系统、变流器、直流系统等一次设备模型，能满足储能变流器的升级发展。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

提供一种变流器硬件性能在环测试系统，设置有：

RTDS实时仿真系统，用于模拟不同短路比、模拟电压跌落或抬升及模拟并联储能电池；

接口转换系统，用于在RTDS实时数字仿真系统与控制器之间进行低延时传输；

储能变流器控制器，通过接口转换设备采集变流器端口信息，控制产生触发脉冲驱动IGBT动作。

优选的，上述接口转换系统通过光纤与RTDS实时仿真系统进行通信，并接收RTDS实时仿真系统的数字量信号，然后将数字量信号转换成电气量信号，将储能变流器控制器采集电气量信号。

优选的，上述RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT是通过电感开展三相短路故障或两相短路故障，采用分压原理实现电网电压跌落。

优选的，上述接口转换系统包含千兆收发模拟输出卡GTAO、千兆收发数字输入卡GTDI和千兆收发数字输出卡GTDO和高频功率放大器。

本发明的变流器硬件性能在环测试系统，测试方法如下：

步骤包括：

步骤(1)、仿真建模；

步骤(2)、接口转换系统进行I/O接口联调；

步骤(3)、RTDS实时仿真系统根据测试项目以及需要执行的操作步骤，进行编辑及存储，形成预制清单；

步骤(4)、进行工况测试；

步骤(5)、测试结果分析。

当所述工况测试为低电压穿越测试时；

所述步骤(3)包括有：

步骤(3.1a)、启动并运行RTDS实时仿真系统；

步骤(3.2a)、调节储参变流器的输出功率；

步骤(3.3a)、控制RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT进行三相对称电压跌落或三相不对称电压跌落。

优选的，上述步骤(4)具体为控制RTDS实时仿真系统中的升压变压器T2高压侧的电压和高压侧的电流数据均进行缩放后经高频数字仿真功放输出。

优选的，上述步骤(5)包括有：

步骤(5.1a)、通过数据采集装置采集高频数字仿真功放的电压、电流输出，记录被测储能变流器电压和电流的波形；

步骤(5.2a)、开展数据分析并判断低电压穿越测试是否合格。

当所述工况测试为高电压穿越测试时；

优选的，上述步骤(3)包括有：

步骤(3.1b)、启动并运行RTDS实时仿真系统；

步骤(3.2b)、调节储参变流器的输出功率；

步骤(3.3b)、控制RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT进行三相对称电压抬升。

优选的，上述步骤(4)具体为控制RTDS实时仿真系统中的升压变压器T2高压侧的电压和高压侧的电流数据均进行缩放后经高频数字仿真功放输出。

优选的，上述步骤(5)包括有：

步骤(5.1b)、通过数据采集装置采集高频数字仿真功放的电压、电流输出，记录被测储能变流器电压和电流的波形；

步骤(5.2b)、开展数据分析并判断高电压穿越测试是否合格。

当所述工况测试为弱电网适应性测试时；

优选的，上述步骤(1)具体为调节储能变流器所接早网的系统短路容量为预设值。

优选的，上述步骤(3)包括有：

步骤(3.1c)、RTDS实时仿真系统启动运行；

步骤(3.2c)、调节储参变流器的输出功率；

步骤(3.3c)、分别开展低电压穿越测试、高电压穿越测试；当开展低电压穿越测试时，控制RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT进行三相对称电压跌落或三相不对称电压跌落；当开展高电压穿越测试时，控制RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT进行三相对称电压跌抬升。

优选的，上述步骤(4)具体为控制RTDS实时仿真系统中的升压变压器T2高压侧的电压和高压侧的电流数据均进行缩放后经高频数字仿真功放输出。

优选的，上述步骤(5)包括有：

步骤(5.1c)、通过数据采集装置采集高频数字仿真功放的电压、电流输出，记录被测储能变流器电压和电流的波形；

步骤(5.2c)、当开展低电压穿越测试时，则开展数据分析并判断低电压穿越测试是否合格；当开展高电压穿越测试时，则开展数据分析并判断高电压穿越测试是否合格。

优选的，上述储参变流器的输出功率为k×P

优选的，上述数据采集装置为功率分析仪和示波记录仪。

优选的，上述功率分析仪的型号为WT5000，所述示波记录仪的型号为DL850。

本发明的另一个目的在于避免现有技术的不足之处而提供一种变流器硬件性能在环测试方法。该变流器硬件性能在环测试方法能够对控制器的低电压穿越、高电压穿越、有功无功控制进行试验验证。

本发明的上述目的通过以下技术措施实现：

提供一种变流器硬件性能在环测试方法,采用上述变流器硬件性能在环测试系统进行。

本发明的一种变流器硬件性能在环测试方法及使用该方法的变流器硬件性能在环测试系统,其中变流器硬件性能在环测试系统，设置有：RTDS实时仿真系统，用于模拟不同短路比、模拟电压跌落或抬升及模拟并联储能电池；接口转换系统，用于在RTDS实时数字仿真系统与控制器之间进行低延时传输；储能变流器控制器，通过接口转换设备采集变流器端口信息，控制产生触发脉冲驱动IGBT动作。本发明搭建了交流系统、变流器、直流系统等一次设备模型，通过弱电信号接口与储能变流器的控制器相连组成半实物实时仿真平台，能够对控制器的低电压穿越、高电压穿越、有功无功控制功能进行试验验证。

附图说明

利用附图对本发明作进一步的说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1为一种变流器硬件性能在环测试系统的示意图。

图2为一种变流器硬件性能在环测试方法的流程图。

图3为实施例2的PCS一次系统仿真建模图。

图4为实施例2的仿真后台监控界面。

图5为实施例2的测试项目自动化案例。

图6为实施例2为线电压、无功电流有效值曲线图。

图7为实施例2为在故障期间的线电压基波正序、负序、零序分量有效值的曲线图。

图8为实施例2为故障发生时的线电压瞬时值的曲线图。

图9为实施例2为故障恢复时的线电压瞬时值的曲线图。

图10为实施例2为相电流有效值的曲线图。

图11为实施例2为故障期间电流基波正序、负序、零序分量有效值的曲线图。

图12为实施例2为故障发生时的相电流瞬时值的曲线图。

图13为实施例2为故障恢复时的相电流瞬时值的曲线图。

图14为实施例2为故障期间的无功电流动态响应情况的曲线图。

图15为实施例2为有功功率、无功功率平均值的曲线图。

图16为实施例2为故障期间的有功功率正序、负序分量的曲线图。

图17为实施例2为故障期间的视在功率的曲线图。

具体实施方式

结合以下实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

储能变流器测控系统(measurement and control system of power conversionsystem)是指储能变流器的测量及控制系统。被试设备(equipment under test；EUT)是指被试验的设备，除另有规定外，应包含所有附属设备。实时仿真(real time digitalsimulation)是指与自然世界实际物理过程推进速度一致的数字仿真。多速率仿真(multiple time-step simulation)是指将仿真对象分解为多个子系统,不同子系统采用不同建模方法、数值计算方法和仿真步长,并通过接口联合实现整体仿真。实时数字仿真器(Digital real time simulator；DRTS)是指具备实时数字仿真能力的计算硬件与软件的总称。实时仿真接口(real time simulation interface)是指数字模型与实际物理装置输入/输出数据交互接口。硬件在环试验(hardware in the loop testing；HIL)是指实时数字仿真器和实际物理模型通过实时仿真接口连接,构成数字仿真模型与实际物理模型的闭环系统并实时交互运行的过程。

实施例1。

一种变流器硬件性能在环测试系统,如图1所示，设置有：

RTDS实时仿真系统，用于模拟不同短路比、模拟电压跌落或抬升及模拟并联储能电池。

接口转换系统，用于在RTDS实时数字仿真系统与控制器之间进行低延时传输。

储能变流器控制器，通过接口转换设备采集变流器端口信息，控制产生触发脉冲驱动IGBT动作，从而实现有功、无功等控制目标。

需要说明的是，触发脉冲驱动IGBT动作通过控制策略产生，具体的控制策略可通过设置于储能变流器控制器的内部算法得到，在此不再一一赘述。

其中，接口转换系统通过光纤与RTDS实时仿真系统进行通信，并接收RTDS实时仿真系统的数字量信号，然后将数字量信号转换成电气量信号，将储能变流器控制器采集电气量信号。

其中，RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT是通过电感开展三相短路故障或两相短路故障，采用分压原理实现电网电压跌落。

其中接口转换系统包含千兆收发模拟输出卡GTAO、千兆收发数字输入卡GTDI和千兆收发数字输出卡GTDO和高频功率放大器。

在图1中RTDS实时仿真系统的Ls和Rs为电源阻抗。LVRT为电感。换流器是一次设备，具有多种类型，如2电平、3电平、多电平，其中3电平换流器又有多个类型。T1为隔离变压器，作用为电气隔离、降低电网的短路容量。T2为降压变压器，作用中将高压交流电变换为低压交流电。QF12为并网断路器，作用为导通或切断电气回路。KM4为并网断路器，作用为导通或切断电气回路。PT1为网侧电压互感器，作用为测量电压。PT2为阀侧电压互感器，作用为测量电压。C25、C26和C27均为滤波电容，作用为滤除谐波。R11和L11为阻尼电阻和阻尼电感，作用为防止谐振。L1为滤波电感，作用是滤除谐波。C1和C2为直流侧电容，作用是存储电能和平滑电压波动。CT2为直流侧电流互感器，作用是测量直流电流。Relay1为直流侧断路器，作用为导通或关断直流电气回路。

在RTDS实时仿真系统中，交流源通过设置电源阻抗模拟不同短路比；LVRT则通过串并联电感模拟电压跌落，完成低电压穿越试验，LVRT则通过串并联电感模拟电压抬升，完成高电压穿越试验；换流器的额定容量630kW，拓扑T型3电平阀组，通过LC滤波回路与交流电网连接；直流侧采用直流源模拟并联储能电池，解锁前通过充电电阻为直流电容充电。

需要说明的是，在RTDS实时仿真系统中各种元件是实际物理世界中的交流电网、直流电源、低电压穿越模拟设备、被测储能变流器一次设备的数字化仿真建模，其名称及作用于实际的物理设备一致。

需要说明的是，本发明的RTDS实时仿真系统、接口转换系统和储能变流器控制器均为均是现有技术，本发明是提出了RTDS实时仿真系统、接口转换系统和储能变流器控制器搭建起来组成一种变流器硬件性能在环测试系统以进行后续的变流器硬件性能在环测试方法。

本发明的变流器硬件性能在环测试系统,如图2所示，测试方法如下：

步骤包括：

步骤(1)、仿真建模；

步骤(2)、接口转换系统进行I/O接口联调；

步骤(3)、RTDS实时仿真系统根据测试项目以及需要执行的操作步骤，进行编辑及存储，形成预制清单；

步骤(4)、进行工况测试；

步骤(5)、测试结果分析。

当工况测试为低电压穿越测试时；

其中步骤(3)包括有：

步骤(3.1a)、启动并运行RTDS实时仿真系统；

步骤(3.2a)、调节储参变流器的输出功率；

步骤(3.3a)、控制RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT进行三相对称电压跌落或三相不对称电压跌落。

其中步骤(4)具体为控制RTDS实时仿真系统中的升压变压器T2高压侧的电压和高压侧的电流数据均进行缩放后经高频数字仿真功放输出。

其中，步骤(5)包括有：

步骤(5.1a)、通过数据采集装置采集高频数字仿真功放的电压、电流输出，记录被测储能变流器电压和电流的波形；

步骤(5.2a)、开展数据分析并判断低电压穿越测试是否合格。

当工况测试为低电压穿越测试时，仿真建模具体包括为交流电网一次系统的建模、变流器一次系统的建模、接口转换系统的设置和低电压穿越故障模拟系统建模。

当工况测试为高电压穿越测试时；

其中，步骤(3)包括有：

步骤(3.1b)、启动并运行RTDS实时仿真系统；

步骤(3.2b)、调节储参变流器的输出功率；

步骤(3.3b)、控制RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT进行三相对称电压抬升。

其中，步骤(4)具体为控制RTDS实时仿真系统中的升压变压器T2高压侧的电压和高压侧的电流数据均进行缩放后经高频数字仿真功放输出。

其中，步骤(5)包括有：

步骤(5.1b)、通过数据采集装置采集高频数字仿真功放的电压、电流输出，记录被测储能变流器电压和电流的波形；

步骤(5.2b)、开展数据分析并判断高电压穿越测试是否合格。

当工况测试为高电压穿越测试时，仿真建模具体包括为交流电网一次系统的建模、变流器一次系统的建模、接口转换系统的设置和高电压穿越故障模拟系统建模。

当工况测试为弱电网适应性测试时；

其中，步骤(1)具体为调节储能变流器所接早网的系统短路容量为预设值；

步骤(3)包括有：

步骤(3.1c)、RTDS实时仿真系统启动运行；

步骤(3.2c)、调节储参变流器的输出功率；

步骤(3.3c)、分别开展低电压穿越测试、高电压穿越测试；当开展低电压穿越测试时，控制RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT进行三相对称电压跌落或三相不对称电压跌落；当开展高电压穿越测试时，控制RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT进行三相对称电压跌抬升；

其中，步骤(4)具体为控制RTDS实时仿真系统中的升压变压器T2高压侧的电压和高压侧的电流数据均进行缩放后经高频数字仿真功放输出。

其中，步骤(5)包括有：

步骤(5.1c)、通过数据采集装置采集高频数字仿真功放的电压、电流输出，记录被测储能变流器电压和电流的波形；

步骤(5.2c)、当开展低电压穿越测试时，则开展数据分析并判断低电压穿越测试是否合格；当开展高电压穿越测试时，则开展数据分析并判断高电压穿越测试是否合格。

在工况测试为低电压穿越测试、高电压穿越测试或者弱电网适应性测试时，储参变流器的输出功率均为k×P

本发明的数据采集装置为功率分析仪和示波记录仪，其中功率分析仪的型号为WT5000，示波记录仪的型号为DL850。

需要说明的是，本发明的电网故障模拟发生装置LVRT具体按照标准：GBT34133-2017储能变流器检测技术规程/5.3电压跌落发生装置中记载的操作方法进行操作。

对于电网故障模拟发生装置LVRT和升压变压器T2是实际物理设备的数字化建模。

该变流器硬件性能在环测试系统,搭建了交流系统、变流器、直流系统等一次设备模型，通过弱电信号接口与储能变流器的控制器相连组成半实物实时仿真平台，能够对控制器的低电压穿越、高电压穿越、有功无功控制功能进行试验验证。

实施例2

一种变流器硬件性能在环测试方法,采用实施例1的变流器硬件性能在环测试系统进行。

本实施例以低电压穿越测试为例进行说明，其中，被测装置为某厂家的被测装置，容量为1.25MW。

步骤包括：

步骤(1)、仿真建模，如图；

步骤(2)、接口转换系统进行I/O接口联调；

所述步骤(3)包括有：

步骤(3.1a)、启动并运行RTDS实时仿真系统；

步骤(3.2a)、调节储参变流器的输出功率；

步骤(3.3a)、控制RTDS实时仿真系统中的电网故障模拟发生装置LVRT进行三相对称电压跌落或三相不对称电压跌落；

步骤(4)、控制RTDS实时仿真系统中的升压变压器T2高压侧的电压和高压侧的电流数据均进行缩放后经高频数字仿真功放输出；

步骤(5)包括有：

步骤(5.1a)、通过数据采集装置采集高频数字仿真功放的电压、电流输出，记录被测储能变流器电压和电流的波形，如图6-17所示；

步骤(5.2a)、开展数据分析并判断低电压穿越测试是否合格，其中根据如表1的测试参数指标判断低电压穿越测试是否合格；

表1、测试参数指标

该变流器硬件性能在环测试系统,能够对控制器的低电压穿越进行试验验证。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。