基于仿真平台的双馈风机硬件在环测试系统及方法

技术领域

本公开涉及电力系统相关技术领域，具体的说，是涉及一种基于仿真平台的双馈风机硬件在环测试系统及方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

随着风电开发规模的日益增大，其对电网的影响越来越不可小觑。掌握其暂态特性，进而研究其对电网稳定性的影响、传统保护适应性等问题日益成为电网运维人员的重要任务。建立电磁暂态模型对其进行研究是一种有效手段，在建模工作中，两个换流桥控制系统模型的搭建是双馈风机建模工作的关键。然而，双馈风机的控制环节建模所需专业水平较高，而且如果设置不当，存在与现场真实情况不一致的问题。

文献《双馈风机的电磁暂态平均化建模和快速仿真》提出一种双馈风机的电磁暂态平均化建模方法。将风机中的时变子系统转化为分段定常子系统，从而避免了频繁修正系统的导纳矩阵，并可采用较大的积分步长。该建模方法可用于精确、快速地模拟大量风电机组并网后的暂态响应。

文献《基于电力系统仿真软件DIgSILENT的双馈异步风力发电机建模与仿真研究》介绍了一种在DIgSILENT电力系统仿真软件平台上建立双馈风机模型的方法，并通过仿真分析，验证了所建立双馈风机模型及其控制模型的正确性和有效性。

文献《基于奇异摄动理论的双馈风机并网系统降维建模方法》提出一种基于奇异摄动理论的双馈风机降维建模方法，将双馈风机并网系统的12维模型降至4维，同时能很好地反映全阶模型的主导动态特性以及风机并网稳定性。

以上方法都能对双馈风机的稳态或暂态过程进行仿真分析，然而，以上所提出的一次电路和换流器控制器都需在仿真软件中搭建的建模方法存在建模难度高，难以判断发生短路故障时，模型低穿特性是否与实际相吻合的问题，而且以上建模方法需要掌握精确的风机换流器控制器参数，并不适用于工程人员快速、准确地掌握实际双馈风机的电磁暂态过程。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于仿真平台的双馈风机硬件在环测试系统及方法，对设置双馈风机一次电路模型进行改进，在仿真平台上合理配置，并充分发挥换流器控制器硬件的优势，保证模型真实反映现场情况，提高仿真测试精度。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了基于仿真平台的双馈风机硬件在环测试系统，包括：

双馈风机一次电路仿真模型，搭设于仿真平台，包括发电机模型、换流器模型与缓启电路模型，所述缓启电路模型设置为直流供能电路，通过设置的缓启开关连接在励磁支路直流母线上；

换流器控制器，为连接在仿真平台上的物理控制器，通过转换装置与仿真平台通信连接，控制仿真平台内布设的双馈风机一次电路仿真模型执行测试过程。

一个或多个实施例提供了基于仿真平台的双馈风机硬件在环测试方法，包括如下步骤：

根据获取的配置方案，在仿真平台配置双馈风机并网系统一次电路模型；

设置双馈风机一次电路模型的仿真步长；

启动换流器控制器工作，发送双馈风机一次电路模型动作的触发脉冲信号以及开关的控制信号，以使双馈风机换流器控制器硬件在环的仿真测试平台能够正确起机、励磁与并网；

根据获取的双馈风机一次电路模型的输出信号，得到被测试硬件的测试结果。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本实施例的测试系统，通过真实控制器以及虚拟的被控对象，在双馈风机的稳态或暂态过程仿真模型的搭建过程中，不要搭建虚拟的换流器控制器，减小了搭建难度；同时将缓启电路设置为直流供能电路，能够大大减少仿真平台处理器的资源占用，从而减少双馈风机一次电路仿真模型资源占有率，能够提高仿真测试过程的可行性以及仿真测试效率。

本公开所搭建的换流器控制器硬件在环模型只需要掌握一次电路参数并搭建一次电路模型，将真实的换流器控制器通过输入、输出端口与仿真模型一次电路建立联系，大大降低了建模难度，而且控制过程能够反映真实情况，保证了模型的可信度。

本公开的优点以及附加方面的优点将在下面的具体实施例中进行详细说明。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的双馈风机硬件在环测试系统拓扑图；

图2是本公开实施例1的双馈风机一次电路仿真模型结构示意图；

图3是本公开实施例1的双馈风机硬件在环测试系统的被测试对象为保护装置的拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

实施例1

在一个或多个实施方式公开的技术方案中，如图1-图3所示，基于仿真平台的双馈风机硬件在环测试系统，包括：

双馈风机一次电路仿真模型，为虚拟电路，搭设于仿真平台，包括发电机模型、换流器模型与缓启电路模型，所述缓启电路模型设置为直流供能电路，通过设置的缓启开关连接在励磁支路直流母线上；

换流器控制器，为真实的控制器，是连接在仿真平台上的物理控制器，通过转换装置与仿真平台通信连接，控制仿真平台内布设的双馈风机一次电路仿真模型执行测试过程。

在一些实施例中，上述测试系统可以实现换流器控制器的测试，也可以外接被测试硬件，测试被测试硬件的功能，具体的，被测试硬件与仿真平台通信连接，通过换流器控制器控制双馈风机一次电路仿真模型动作输出相应的信号，对真实的被测试硬件进行测试；

可选的，如图3所示，被测试硬件可以为保护装置、数据采集装置等。

本实施例的测试系统，通过真实控制器以及虚拟的被控对象，在双馈风机的稳态或暂态过程仿真模型的搭建过程中，不需要搭建虚拟的换流器控制器，减小了建模难度；同时将缓启电路设置为直流供能电路，能够大大减少仿真平台处理器的资源占用，从而减少双馈风机一次电路仿真模型资源占有率，能够提高仿真测试过程的可行性以及仿真测试效率。

双馈风机的一次电路中设置缓启电路的目的，是在启机时为励磁支路直流母线充电，避免直接启动网侧换流器时带来的过电压和过电流。真实双馈风机并网系统一次电路中，缓启电路为一个三相不控整流桥，交流侧通过开关与并网点系统侧相连，直流侧的正负极分别与双馈风机励磁支路的正、负直流母线相连。启机时，交流断路器闭合，启动之后交流断路器断开，进而将缓启电路切除。

三相不控整流桥需要6个二极管，所占用处理器资源较多，本实施例在仿真模型中对缓启电路进行改进，设置为直流供能电路，可以大大减少处理资源的占有率。

在一些可实现的实施方式中，直流供能电路可以采用直流电源V

具体的，直流电压源V

可选的，缓启开关K4和K5具体的采用断路器模型。

双馈风机一次电路仿真模型，如图2所示包括发电机模型、换流器模型、缓启电路模型、撬棒电路模型、Chopper模型，可以设置在仿真平台的一个小时间步长桥接箱(STSBB)中。

具体的，Chopper模型为斩波电路模型，Chopper模型设置在机侧换流器的输出端。

进一步的技术方案，还包括机侧滤波器模型，设置在机侧换流器模型的前端，包括电感、电阻以及电容，电阻以及电容串联后接地，电感串联在机侧换流器之前的线路上。

进一步的技术方案，还包括网侧滤波器模型，包括串联连接的电容和电感，串联后的电路的一端连接至网侧换流器的输出端线路上，另一端接地。

可选的，上述的双馈风机一次电路仿真模型结构，主要是包括了并网之前的电力电子器件组成的电路模型，可以设置在仿真平台的同一个小时间步长桥接箱(Small timestep bridge box，简称为STSBB)中，仿真步长为纳秒级。

进一步地，还包括电力系统元器件组成的电力系统网络模型，所述电力系统元器件可以配置在仿真平台的另一个步进桥接箱中，即电力系统元器件放在外部系统中，可以与电力电子器件组成的电路模型采用不同的仿真步长。

具体的，电力系统网络模型的仿真步长可以采用微妙级。

可选的，电力系统网络模型与电力电子器件组成的电路模型设置在不同的桥接箱中，通过接口变压器模型连接。通过接口变压器实现仿真步长转变时的衔接。

可选的，仿真平台可以具体为RTDS仿真平台。RTDS仿真平台具有可实时仿真，仿真精度高的特点，而且在RTDS仿真平台搭建仿真模型能够外接保护装置等测试保护动作特性。

进一步地，按照仿真平台处理器的处理能力，在RTDS的PB5处理器中的配置双馈风机一次电路仿真模型中的元器件模型。

一个STSBB只能在一个PB5板卡中运行，而PB5的处理能力有限，尤其对于目前电力系统中新涌进的风机、光伏等新能源并网系统，由于其电力电子元器件多，给PB5的处理能力带来极大挑战。如果STSBB中放置器件所需计算量超出PB5的计算能力，就会导致RTDS无法运行。

RTDS的一个PB5中含有两个处理器，因此，按照数据处理量将双馈风机一次电路模型中的元件模型在PB5的两个处理器中合理分配。

双馈风机并网系统一次电路模型中所需运算量最大的是风力发电机模型和两个换流器模型，其次为接口变压器、各个支路的开关器件等。因此，需要将发电机和背靠背换流桥分别放在1号、2号处理器中，其他器件均匀放置在两个处理器中。具体。

具体的，配置方式可以如表1所示，将一次电路模型中的发电机、机侧滤波器、网侧滤波器、接口变压器励磁支路开关K3及定子支路开关K2设置在PB5的一个处理器中，将一次电路模型中的机侧换流器、网侧换流器、撬棒、撬棒开关K1、缓启电路开关K4和K5设置在在PB5的另一个处理器中。

表1双馈风机一次电路模型各元器件模型在PB5两个处理器中的配置

具体的，小时间步长桥接箱的仿真步长可以设置3400ns～3750ns，优选的，在采用RTDS仿真平台时，可以设置为3400ns。

仿真步长过小时，会加重处理器的负担，甚至使模型不能成功运行。为了使双馈风机并网一次系统能够在RTDS中成功运行，必须合理设置仿真步长。本实施例的设置的步长能够使得处理器运行状态良好。为了保证仿真准确度，同时使模型能够成功编译，将双馈风机一次电路模型在小步长模块中的仿真步长选取为一个合适值，既能保证模型能够编译成功、运行不溢出，同时满足开关频率要求。

换流器控制器与仿真平台通过转换装置进行数据传输，可选的，转化装置包括开关量转换装置以及信号转换装置。

具体的，通过开关量转换装置将换流器控制器的控制信号转换后传输至仿真平台，控制配置在仿真平台的双馈风机一次电路仿真模型动作进行测试过程；测试过程中采集双馈风机一次电路仿真模型输出的电气量即为模拟量通过信号转换装置转换后传输至换流器控制器。

换流器控制器的控制信号即为图1中的开关量包括机侧换流器以及及网侧换流器的触发脉冲信号，以及开关的控制信号；

本实施例中，开关的控制信号包括：定子支路开关K1、撬棒开关K1、励磁支路开关K3、缓启电路开关K4和K5五个开关的开关控制信号。

本实施例中，测试过程中，采集双馈风机一次电路仿真模型的输出的电气量可以包括电流与电压，可以是故障电流、故障电压。

进一步地，双馈风机一次电路仿真模型配置的仿真平台还连接至后台监控系统，用于监控仿真平台工作。换流器控制器还连接至上位机，通过上位机监控换流器控制器的工作。

本实施例提供的控制器硬件在环的仿真模型搭建相对简单，只需在仿真平台搭建一次设备的模型，通过输入输出端口与真实换流器控制器相连，实现模拟量及数字量信号的交互。另外，真实控制器硬件在环的仿真模型只需保证一次电路模型参数与真实场景相同，因此更容易保证仿真模型的可信度。

实施例2

基于实施例1，本实施例中提供基于仿真平台的双馈风机硬件在环测试方法，包括如下步骤：

步骤1、根据获取的配置方案，在仿真平台配置双馈风机并网系统一次电路模型；

步骤2、设置双馈风机一次电路模型在小步长模块(即为小时间步长桥接箱，STSBB)中的仿真步长；

步骤3、启动换流器控制器工作，发送双馈风机一次电路模型动作的触发脉冲信号以及开关的控制信号，以使双馈风机换流器控制器硬件在环的仿真平台能够正确起机、励磁与并网；

步骤4、根据获取的双馈风机一次电路模型的输出信号，得到被测试硬件的测试结果。

在一些可以实现的实施方式中，被测试硬件可以为保护装置，将保护装置连接在仿真平台的测试数据输出端，通过换流器控制器输出信号控制仿真平台的一次电路模型输出故障电流和电压，判断保护装置的动作是否与对应的故障状态一致，确定保护装置是否能够正常工作。

可选的，双馈风机一次电路模型在RTDS的PB5处理器中的配置。

可选的，仿真步长可以设置为3400ns。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。