專利名稱:一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置的制造方法
【專利摘要】一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置，包括仿真系統(tǒng)工作站(12)、RTDS實時仿真器、GTAO模擬量輸出板卡(16)、GTFPI高壓數(shù)字輸出接口板(17)、功率放大器(15)、線路控保裝置(14)、故障錄波器(13)和雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機主電路。所述雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機主電路包括雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機(6)、風機(7)、齒輪箱(8)、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器(1)、網(wǎng)側(cè)變流器(2)、升壓變壓器(3)、電流互感器和三繞組變壓器。本實用新型通過在RTDS系統(tǒng)上搭建與現(xiàn)場實際等值的模型，并輸入系統(tǒng)實際運行參數(shù)來模擬仿真，這些輸出結(jié)果真實地反應(yīng)了在實際運行中的情形。能提高風力發(fā)電系統(tǒng)運行的可靠性和電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，具有廣泛的適用性。
【專利說明】
一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置，屬電力測試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著風力發(fā)電的快速發(fā)展，風電場的規(guī)模和單機容量不斷增大，風電機組出力的隨機性和間歇性對整個電力系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的影響也越來越大。同時，風電機組的并網(wǎng)運行一定程度上改變了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和潮流分布，因而對電網(wǎng)保護和控制設(shè)備的安全可靠運行提出更高的要求。比如，風電機組短路特性與常規(guī)能源機組的差別較大，在故障發(fā)生時，使得故障電流大小及流向發(fā)生改變。因此，我們有必要研究出一種能夠?qū)︼L電機組特性的測試方法和實時仿真測試的裝置，來對風電機組的短路特性、并網(wǎng)特性等進行動態(tài)測試，進一步判定其是否滿足并網(wǎng)和運行的要求。
[0003]目前國內(nèi)已經(jīng)有對風電場短路特性及其仿真建模的相關(guān)研究，然而離線仿真軟件具有無法自定義元件、仿真精度不夠、不能直接與被測裝置進行連接等固有缺點，無法滿足繼電保護等自動化設(shè)備的系統(tǒng)試驗及控制策略驗證的需求。本實用新型基于RTDS實時數(shù)字仿真技術(shù)，構(gòu)建風力發(fā)電技術(shù)測試平臺是解決上述問題的有效途徑。
[0004]本實用新型以雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機(DFIG)為對象，對風力發(fā)電系統(tǒng)進行模塊化的仿真建模。構(gòu)建基于RTDS的風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試平臺。通過在RTDS系統(tǒng)上搭建與現(xiàn)場實際等值的模型，并輸入系統(tǒng)實際運行參數(shù)來模擬仿真，這些輸出結(jié)果真實地反應(yīng)了在實際運行中的情形。并在此基礎(chǔ)上，對DFIG工作不同運行方式下的短路特性進行研究，對影響短路特性的主要因素進行動態(tài)仿真測試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實用新型的目的是，針對現(xiàn)有風電場短路特性及其仿真建模存在的問題，要構(gòu)建一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置。
[0006]本實用新型的技術(shù)方案是，一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置包括仿真系統(tǒng)工作站、RTDS實時仿真器(含多塊GPC/PB5板卡)、GTA0模擬量輸出板卡、GTFPI高壓數(shù)字輸出接口板、功率放大器、線路控保裝置、故障錄波器和雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機(DFIG)主電路。仿真系統(tǒng)工作站通過局域網(wǎng)與RTDS實時仿真器相連接，RTDS實時仿真器輸出的數(shù)字信號經(jīng)過GTAO板輸出后連接到功率放大器的輸入端，功率放大器輸出的二次信號分別連接到線路控保裝置和故障錄波器。仿真系統(tǒng)工作站輸出的跳合閘信號通過GTFPI板通過線路控保裝置的跳閘繼電器相連接，將裝置的位置信號直接反饋給仿真器。電氣模擬量和保護裝置動作信號同時輸出給故障錄波器;雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機主電路電流互感器電流信號和變流器的電壓信號送至GTAO模擬量輸出板卡。
[0007]雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機主電路包括雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機、風機、齒輪箱、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、升壓變壓器、電流互感器和三繞組變壓器;雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機由風機通過齒輪箱驅(qū)動;變流器采取背靠背式整流-逆變器接三繞組變壓器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)側(cè)變流器通過三繞組變壓器和升壓變壓器兩級升壓變壓器接入220kV電網(wǎng)系統(tǒng);轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的逆變器與雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機(DFIG)的轉(zhuǎn)子繞組相連，雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機的定子繞組直接接入220kV電網(wǎng)系統(tǒng)。
[0008]所述三繞組變壓器Tl變比為kl/k2/k3，耦合變壓器由三個單相接口變壓器組成，原邊與副邊的接線方式為為Υ/Λ連接，變比為k4/k5，變壓器的變比大小根據(jù)運行參數(shù)設(shè)定。單個變壓器容量為單位為MVA，實際容量數(shù)值由運行中設(shè)備實際大小覺得。接地點K為仿真需要，選擇的接地電阻單位為kQ，其大小根據(jù)實際仿真需要設(shè)置。
[0009]所述動態(tài)實時仿真測試模型裝置的系統(tǒng)主回路選擇無窮大電源代替220kV電網(wǎng)系統(tǒng)。
[0010]動態(tài)實時仿真測試模型裝置建立后可以進一步將實際所需的變壓器、線路、電流互感器、系統(tǒng)等值等參數(shù)進行設(shè)置，使得模型更加切合實際運行工況，從而能進一步準確測試出雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的短路特性。
[0011]本實用新型在構(gòu)建仿真測試模型時，采取了模塊化的設(shè)計方式，同時對RTDS處理器卡分配進行優(yōu)化。具體優(yōu)化方式如下:
[0012](l)220kV電網(wǎng)系統(tǒng)、升壓變壓器及聯(lián)絡(luò)線在內(nèi)的主網(wǎng)絡(luò)求解采用50ys的仿真步長的計算精度，占用一±夬6?(:卡。
[0013](2)電源與控制電路仿真運算采用50ys的仿真步長的計算精度，占用一±夬6?(:卡。
[0014](3)網(wǎng)側(cè)及轉(zhuǎn)子側(cè)變流器及DFIG封裝成VSC子模塊，該模塊采用3-5ys的小步長仿真精度，子模塊與主網(wǎng)系統(tǒng)通過接口變壓器進行電氣連接。接口變壓器除實現(xiàn)大、小仿真步長模塊的信息交互，同時可代替升壓變壓器，將35kV電壓升高至220kV，再與電網(wǎng)系統(tǒng)連接。
[0015]RTDS實時仿真采用模塊化設(shè)計，能最大限度地優(yōu)化建模的處理器分配、可讀性及可擴展性，各個子模塊功能明確。在模擬風電場多臺不同類型風電機組之間的交互影響時，在保證系統(tǒng)變量定義不沖突的前提下，通過添加封裝有DFIG或者恒速發(fā)電機、變速直驅(qū)型永磁風力發(fā)電機的VSC子系統(tǒng)封裝模塊，通過模塊化設(shè)計方法，即可實現(xiàn)仿真系統(tǒng)規(guī)模的快速擴充，提高了單個搭建模塊的效率。
[0016]本實用新型的有益效果是，實用新型的雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的實時仿真測試模型裝置，基于RTDS實時數(shù)字仿真技術(shù)，搭建了雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，通過子模塊的封裝設(shè)計，有效利用了RTDS建模的易擴展性和可用于閉環(huán)測試的優(yōu)點，搭建了實時仿真測試平臺，實現(xiàn)對風電場不同運行方式下的短路特性進行實時仿真測試。通過測試，能進一步驗證風電場內(nèi)的相關(guān)繼電保護裝置的特性，為風電場繼電保護裝置正確整定提供依據(jù)，保證保護裝置有效快速地切斷故障，以提高風力發(fā)電系統(tǒng)運行的可靠性和電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性，具有廣泛的適用性。
[0017]本實用新型建立的動態(tài)實時仿真測試模型裝置，適用于220kV及以下電壓等級的風力發(fā)電系統(tǒng)。
【附圖說明】

[0018]圖1為雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機(DFIG)主電路結(jié)構(gòu)；
[0019]圖2為動態(tài)實時仿真測試模型裝置結(jié)構(gòu)圖；
[0020]圖3為雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的模擬8m/s風速時的仿真測試波形；
[0021]圖4為雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的模擬12m/s風速時的仿真測試波形；
[0022]圖中，I是轉(zhuǎn)子側(cè)變流器;2是網(wǎng)側(cè)變流器;3是升壓變壓器;4是電網(wǎng)系統(tǒng)；5是箱式升壓變壓器;6是雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機;7是齒輪箱;8是風機；11是RTDS測試模型；12是仿真器工作站；13是故障錄波器；14是線路控保裝置；15是功率放大器；16是GTAO模擬量輸出板卡；17是GTFPI高壓數(shù)字輸出接口板。
【具體實施方式】
[0023]本實用新型的【具體實施方式】如圖2所示。本實施例一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試裝置包括仿真系統(tǒng)工作站12、RTDS實時仿真器(含多塊GPC/PB5板卡)、GTA0模擬量輸出板卡16、GTFPI高壓數(shù)字輸出接口板17、功率放大器15、線路控保裝置14、故障錄波器13和雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機(DFIG)主電路。仿真系統(tǒng)工作站12通過局域網(wǎng)與RTDS實時仿真器相連接，RTDS實時仿真器輸出的數(shù)字信號經(jīng)過GTAO板輸出后連接到功率放大器15的輸入端，功率放大器15輸出的二次信號分別連接到線路控保裝置14和故障錄波器13。仿真系統(tǒng)工作站12輸出的跳合閘信號通過GTFPI板17通過線路控保裝置14的跳閘繼電器相連接，將裝置的位置信號直接反饋給仿真器。電氣模擬量和保護裝置動作信號同時輸出給故障錄波器13;雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機(DFIG)主電路電流互感器電流信號和變流器的電壓信號送至GTAO模擬量輸出板卡16。
[0024]雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機主電路如圖1所示，包括雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機6、風機7、齒輪箱8、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器1、網(wǎng)側(cè)變流器2、升壓變壓器3、電流互感器和三繞組變壓器;雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機6由風機7通過齒輪箱8驅(qū)動;變流器采取背靠背式整流-逆變器接三繞組變壓器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)側(cè)變流器2通過三繞組變壓器和升壓變壓器3兩級升壓變壓器接入220kV電網(wǎng)系統(tǒng);轉(zhuǎn)子側(cè)變流器I的逆變器與雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機(DFIG)6的轉(zhuǎn)子繞組相連，雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機的定子繞組直接接入220kV電網(wǎng)系統(tǒng)。
[0025]搭建的DFIG實時仿真模型，可模擬不同運行方式下風電場聯(lián)絡(luò)線上(圖2中K點)發(fā)生短路故障，將故障電流與母線電壓從RTDS輸出，經(jīng)過功率放大器，接入被測保護裝置。通過模擬CT、PT采樣值的實時變化，提供給保護裝置進行定值整定，形成風電場繼電保護裝置的閉環(huán)測試平臺。其中，工作站搭載RTDS配套的軟件界面RSCAD，進行故障位置/類型和系統(tǒng)運行參數(shù)的設(shè)置，并通過以太網(wǎng)傳輸給RTDS進行實時潮流計算。
[0026]在實時仿真測試過程中分別模擬幾種不同的運行方式。仿真模型中的關(guān)于風力發(fā)電機、三繞組變壓器、耦合變壓器和系統(tǒng)阻抗等相關(guān)參數(shù)設(shè)置均采用具體運行中的實際參數(shù)。該評估仿真模型，參數(shù)設(shè)置簡單明了，適用于不同的電壓等級風電場。
[0027]具體實例如下:某風電場的網(wǎng)側(cè)整流器通過兩級升壓變壓器接入220kV電網(wǎng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器與DFIG轉(zhuǎn)子繞組相連，電機的定子繞組直接接入220kV電網(wǎng)系統(tǒng)。其中三繞組變壓器變比為22.0/0.69/0.69，耦合變壓器由三個單相接口變壓器組成，原邊/副邊為Υ/Λ連接方式，變比為132.79/22ο單個變壓器容量為0.83MVA，接地點為仿真需要，選擇1k Ω的接地電阻。接下來就對風電系統(tǒng)進行仿真測試。
[0028]模擬風速在8m/s及12m/s情況下系統(tǒng)穩(wěn)定運行后K點發(fā)生三相接地故障，故障持續(xù)時間為200ms，風機出口處電壓U，電流I，輸出有功功率P，無功功率Q變化曲線分別如圖3和圖4所示。
[0029]通過仿真測試，比較以上兩種運行方式的短路特性曲線可以得出:
[0030](I)由于DFIG具有在不同風速條件下獲取最大功率的特性，風速越高，發(fā)電機出力也隨之增大。
[0031](2)故障時，發(fā)電機機端電壓跌落至0，風速為8m/s時故障消失后300ms電壓及發(fā)電機出力恢復到穩(wěn)定運行時的水平，最大短路電流為500A;風速為12m/s時故障消失后400ms系統(tǒng)才能恢復到穩(wěn)定運行狀態(tài)，最大短路電流為600A。
[0032]因此得出本次仿真測試結(jié)論:以上差異存在是因為風速越高，DFIG出力隨之升高，相應(yīng)的無功需求也越大，故障后發(fā)電機需要從系統(tǒng)吸收的無功功率越高，機端電壓因此恢復較慢。同時，風速越高，在電壓變化一致的情況下，短路電流便隨DFIG出力升高而變大。該仿真測試結(jié)論為風電廠的繼電保護裝置的整定提供決策依據(jù)，保證保護裝置正確動作能有效快速地切斷故障，以提高風力發(fā)電系統(tǒng)運行的可靠性和電網(wǎng)系統(tǒng)的安全性。
【主權(quán)項】
1.一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置，其特征在于，所述裝置包括仿真系統(tǒng)工作站、RTDS實時仿真器、GTAO模擬量輸出板卡、GTFPI高壓數(shù)字輸出接口板、功率放大器、線路控保裝置、故障錄波器和雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機主電路;仿真系統(tǒng)工作站通過局域網(wǎng)與RTDS實時仿真器相連接，RTDS實時仿真器輸出的數(shù)字信號經(jīng)過GTAO板輸出后連接到功率放大器的輸入端，功率放大器輸出的二次信號分別連接到線路控保裝置和故障錄波器;仿真系統(tǒng)工作站輸出的跳合閘信號通過GTFPI板通過線路控保裝置的跳閘繼電器相連接，將裝置的位置信號直接反饋給仿真器；電氣模擬量和保護裝置動作信號同時輸出給故障錄波器;雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機主電路電流互感器電流信號和變流器的電壓信號送至GTAO模擬量輸出板卡。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置，其特征在于，所述雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機主電路包括雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機、風機、齒輪箱、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器、網(wǎng)側(cè)變流器、升壓變壓器、電流互感器和三繞組變壓器;雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機由風機通過齒輪箱驅(qū)動;變流器采取背靠背式整流-逆變器接三繞組變壓器的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)側(cè)變流器通過三繞組變壓器和升壓變壓器兩級升壓變壓器接入220kV電網(wǎng)系統(tǒng);轉(zhuǎn)子側(cè)變流器的逆變器與雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組相連，雙饋感應(yīng)風力發(fā)電機的定子繞組直接接入220kV電網(wǎng)系統(tǒng)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置，其特征在于，所述RTDS實時仿真器含多塊GPC/PB5板卡。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述一種雙饋風力發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)實時仿真測試模型裝置，其特征在于，所述網(wǎng)側(cè)變流器、轉(zhuǎn)子側(cè)變流器及DFIG封裝成VSC子模塊，該模塊采用3-5ys的小步長仿真精度，子模塊與主網(wǎng)系統(tǒng)通過接口變壓器進行電氣連接。
【文檔編號】G05B17/02GK205721145SQ201620167353
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年3月7日
【發(fā)明人】周寧, 蘇永春, 陳波, 舒展, 程正, 鄒進, 萬勇, 桂小智, 鄧才波, 張妍, 楊越
【申請人】國網(wǎng)江西省電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司