直驅風機次同步諧振測試系統及方法與流程
2023-12-12 16:48:02 1
本發明涉及電力技術領域，尤其涉及一種直驅風機次同步諧振測試系統及方法。
背景技術：
風電已成為中國能源戰略的重要組成分。但由於我國相當一大部分風電集中在新疆、甘肅、內蒙古等西北地區，風電匯集地區往往電網比較薄弱。此前的研究認為，雙饋風機的風電場通過串補電容，以提高輸電能力的輸電系統送出電時，存在發生次同步諧振的風險，而直驅風機由於通過全功率變換器與電網解耦，因此不會發生次同步振蕩。
2015年7月我國新疆地區發生了直驅風機參與的風電次同步振蕩現象，目前，僅是從學術上定性認識到風電系統通過串補輸送時存在發生次同步諧振的風險，但卻沒有針對直驅風機次同步諧振的定量測試方法。
目前對風電次同步諧振的分析主要採用特徵值計算和時域仿真的方法，特徵值計算需要風機機組詳細的參數，往往難以獲取；時域仿真通常採用經典的風機模型，並未考慮不同廠家的風機在次同步諧振時的不同表現，並且時域仿真與實際情況存在差異，與工程實際的一致性有待校核。因此，目前還缺乏一種貼近工程實際、切實可行的、能夠考慮不同廠家產品差異性的次同步諧振測試方法和系統。
技術實現要素：
本發明實施例提供一種直驅風機次同步諧振測試系統，用以靈活簡便地實現直驅風機次同步諧振測試，並接近工程實際，使測試結果更加準確，該直驅風機次同步諧振測試系統包括：
電力電子實時仿真平臺，電力電子實時仿真平臺搭建有包括電網、風電場設備、及直驅風機設備的實時數字仿真模型；實時數字仿真模型經實時化後下載至電力電子實時仿真平臺的仿真機中；電網包括無窮大電壓和輸電系統；輸電系統包括：輸電線路及變壓器；
待測直驅風機控制器，通過仿真機的輸入輸出接口，與實時數字仿真模型進行連接。
在一個實施例中，輸電系統還包括串補電容。
在一個實施例中，風電場設備包括風電場的變壓器及匯集線路；直驅風機設備包括風電機組的軸系、電機、變流器主電路、保護電路及濾波支路。
在一個實施例中，實時數字仿真模型輸出的模擬量包括：電網電壓、電網電流、定子電壓、定子電流、網側電壓、網側模塊電流、機側電壓、機側模塊電流、直流母線電壓、及轉子轉速其中之一或任意組合；
實時數字仿真模型輸出的數字量包括：網側接觸器合閘信號。
在一個實施例中，實時數字仿真模型輸入的數字量包括：網側變流器IGBT脈衝信號、機側變流器IGBT脈衝信號，及網側接觸器合閘信號其中之一或任意組合。
本發明實施例還提供了一種直驅風機次同步諧振測試方法，用以靈活簡便地實現直驅風機次同步諧振測試，並接近工程實際，使測試結果更加準確，該測試方法包括：
將上述不含串補電容輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統中的電力電子實時仿真平臺接入待測直驅風機控制器；
通過設置運行工況或直驅風機控制器的參數，激發上述直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振；
提取上述直驅風機次同步諧振測試系統的電壓及電流信號，分析上述直驅風機次同步諧振測試系統的次同步諧振特徵；
改變輸電系統的短路容量、運行工況或直驅風機控制器的參數，重複上述激發次同步諧振及分析次同步諧振特徵的過程。
在一個實施例中，上述測試方法，還包括：
將含串補電容輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統中的電力電子實時仿真平臺接入待測直驅風機控制器；
通過設置運行工況或直驅風機控制器的參數，激發含串補電容輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振；
提取含串補電容輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統的電壓及電流信號，分析該直驅風機次同步諧振測試系統的次同步諧振特徵；
改變運行工況或直驅風機控制器的參數，重複上述激發次同步諧振及分析次同步諧振特徵的過程。
在一個實施例中，通過設置運行工況或直驅風機控制器的參數，激發直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振，包括：
通過降低仿真工況中的風速，激發直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振。
在一個實施例中，通過設置運行工況或直驅風機控制器的參數，激發直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振，包括：
改變仿真工況中的併網風機臺數，激發直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振。
在一個實施例中，通過設置運行工況或直驅風機控制器的參數，激發直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振，包括：
通過設置機側和網側變流器內外環控制參數，激發直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振。
在本發明實施例中，通過在電力電子實時仿真平臺搭建實時數字仿真模型進行直驅風機次同步諧振測試，與現有採用特徵值計算的方案相比，無需獲取直驅機組詳細的參數，即可利用電力電子實時仿真平臺和所連接的待測直驅風機控制器進行實時仿真，分析直驅風機次同步諧振。
在本發明實施例中，將數字仿真與實際待測直驅風機控制器相結合，與現有採用時域仿真法測量直驅風機數字模型的次同步諧振相比，數字仿真模型可以根據不同廠家進行差異化設計，並且不但適用於經典的直驅風機模型，而且考慮實際存在的電網、風電場設備、及直驅風機設備等環節，可以使測試結果更加準確；並且考慮了實際直驅風機控制器的影響，可以使測試過程更接近工程實際，提升對工程實際的指導意義。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。在附圖中：
圖1為本發明實施例中直驅風機次同步諧振測試系統的示意圖；
圖2為本發明實施例中基於RT-LAB的直驅風機次同步諧振測試系統實例圖；
圖3為本發明實施例中直驅風機次同步諧振測試方法的示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚明白，下面結合附圖對本發明實施例做進一步詳細說明。在此，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，但並不作為對本發明的限定。
發明人發現直驅風機在某些頻段內會呈現負電阻和電容的阻抗特性，與外部系統的電感構成諧振迴路，也會引起次同步諧振現象，由於發現了這個問題，發明人提出了一種直驅風機次同步諧振測試系統及方法。下面對該系統及方法進行詳細介紹。
為了靈活簡便地實現直驅風機次同步諧振測試，並接近工程實際，使測試結果更加準確，本發明實施例提供一種直驅風機次同步諧振測試系統，如圖1所示，該系統可以包括：
電力電子實時仿真平臺1，電力電子實時仿真平臺1搭建有包括電網、風電場設備、及直驅風機設備的實時數字仿真模型11；實時數字仿真模型11經實時化後下載至電力電子實時仿真平臺1的仿真機12中；電網包括無窮大電壓和輸電系統；輸電系統包括：輸電線路及變壓器；
待測直驅風機控制器2，通過仿真機12的輸入輸出接口121，與實時數字仿真模型11進行連接。
可以得知，本發明實施例的直驅風機次同步諧振測試系統，能夠實現直驅風機控制器的測試，在實時數字仿真模型中能夠靈活設置測試條件和運行工況，操作簡便靈活，而且採用實際的物理控制器，較之現有技術中完全採用數字仿真的方案更接近工程實際。該測試系統能夠考慮實際控制器的影響，實現對不同廠家直驅風機的次同步諧振測量。
在本實施中，所述電網包括無窮大電壓和輸電系統；所述輸電系統包括：輸電線路及變壓器；因此，本實施例提供的直驅風機次同步諧振測試系統，可以用於測量不含串補電容的輸電系統的直驅風機次同步諧振測試。
實施例中該直驅風機次同步諧振測試系統，可以在實時數字仿真模型中設置不同的運行工況或修改控制器參數等，測試不同的測試條件下是否會發生次同步諧振以及根據直驅風機的響應情況等分析不同測試條件下的次同步諧振特徵，從而通過仿真測試對直驅風機次同步諧振特性進行全面的分析。
具體實施時，可以採用多種電力電子實時仿真平臺實現直驅風機次同步諧振硬體在環測試。例如可以基於RT-LAB等電力電子實時仿真平臺進行直驅風機次同步諧振硬體在環測試。以RT-LAB為例，可以在RT-LAB中搭建包括電網、風電場設備、及直驅風機設備等的實時數字仿真模型，將某廠家的直驅風機控制器通過RT-LAB仿真機的IO接口與在RT-LAB搭建的實時數字仿真模型相連，從而實現用於直驅風機次同步諧振測試的硬體在環仿真系統，該系統採用直驅風機變流器控制器實物與數字仿真模型構成一閉環系統。
具體實施時，在一個實施例中，實時數字仿真模型中的電網的輸電系統還包括串補電容。該實施例提供的直驅風機次同步諧振測試系統的輸電系統為含串補電容的輸電系統；因此，本實施例提供的直驅風機次同步諧振測試系統，可以用於測量含串補電容的輸電系統的直驅風機次同步諧振測試。
具體實施時，風電場設備可以包括風電場的變壓器及匯集線路等；直驅風機設備可以包括風電機組的軸系、電機、變流器主電路、保護電路及濾波支路等。在實時數字仿真模型中可以設置特定的運行工況，激發次同步諧振進行分析。
圖2為本發明實施例中基於RT-LAB的直驅風機次同步諧振測試系統實例圖。如圖2所示，在RT-LAB搭建的實時數字仿真模型包括代表大電網的無窮大電壓，所研究電網的輸電線路、變壓器及串補等，風電場的變壓器及匯集線路等設備，風電機組的軸系、電機、變流器主電路、保護電路及濾波支路等的數字模型。實時數字仿真模型經實時化後可以編譯成C代碼，並下載到RT-LAB仿真機中。圖2中與實時數字仿真模型相連接的是直驅風機控制器實物，可以採用不同廠家已經市場化的產品，與現場運行的直驅風機中安裝的控制器一致；也可以採用正在研製中的產品進行測試。控制器實物與實時數字仿真模型通過RT-LAB仿真機上的IO接口進行連接。圖2中示出了數字仿真模型上的傳輸線路、電壓源、風機匯集線、風電機組控制器實物等，還示出了仿真機IO接口輸出或輸入的220KV電壓信號、機端電壓信號、機端電流信號及風機控制信號。
具體實施時，實時數字仿真模型輸出的模擬量可以包括：電網電壓、電網電流、定子電壓、定子電流、網側電壓、網側模塊電流、機側電壓、機側模塊電流、直流母線電壓、及轉子轉速其中之一或任意組合。具體實施時，實時數字仿真模型輸出的數字量可以包括：網側接觸器合閘信號。具體實施時，實時數字仿真模型輸入的數字量可以包括：網側變流器IGBT脈衝信號、機側變流器IGBT脈衝信號，及網側接觸器合閘信號其中之一或任意組合。
圖3為本發明實施例中直驅風機次同步諧振測試方法的示意圖，如圖3所示，該直驅風機次同步諧振測試方法可以包括：
步驟301、將上述不含串補電容輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統中的電力電子實時仿真平臺接入待測直驅風機控制器；
步驟302、通過設置運行工況或直驅風機控制器的參數，激發所述直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振；
步驟303、提取所述直驅風機次同步諧振測試系統的電壓及電流信號，分析所述直驅風機次同步諧振測試系統的次同步諧振特徵；
步驟304、改變輸電系統的短路容量、運行工況或直驅風機控制器的參數，重複上述激發次同步諧振及分析次同步諧振特徵的過程。
如前所述，本發明實施例中直驅風機次同步諧振測試方法能夠將實際的直驅風機控制器接入到上述直驅風機次同步諧振測試系統的電力電子實時仿真平臺中，使測試結果與工程實際更為接近，又避免了現場測試的局限性。該測試方法能夠對不同廠家控制器在次同步諧振情況下的響應情況進行測試，便於評估其次同步諧振的風險，劃定次同步諧振穩定邊界。
舉一例，直驅風機次同步諧振的測試步驟可以如下：
①用前文的不含串補電容輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統中的電力電子實時仿真平臺，接入待測直驅風機控制器；
②通過設置特定的運行工況或控制器參數等，激發直驅風機次同步諧振測試系統次同步諧振。
③提取電壓、電流等電氣量，分析次同步諧振特徵。
④改變輸電系統的短路容量，運行工況或直驅風機控制器的參數重複上述步驟。通過仿真測試直驅風機接到不同短路容量的系統中時次同步諧振的風險和特徵。
考慮了直驅風機的特徵，將短路容量這一技術特徵考慮進本發明實施例中，評估其接入不含串補的、不同短路容量的輸電系統發生次同步諧振的風險及風險特徵，全面地評價了直驅風機次同步諧振的風險及風險特徵。
具體實施時，在一個實施例中，上述測試方法，還包括：
將含串補電容輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統中的電力電子實時仿真平臺接入待測直驅風機控制器；
通過設置運行工況或直驅風機控制器的參數，激發含串補電容輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振；
提取含串補電容輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統的電壓及電流信號，分析該直驅風機次同步諧振測試系統的次同步諧振特徵；
改變運行工況或直驅風機控制器的參數，重複上述激發次同步諧振及分析次同步諧振特徵的過程。
在本發明實施例中，首先對接入不含串補電容的輸電系統的直驅風機次同步諧振測試系統進行測試，再對接入含串補電容的輸電系統的直驅風機次同步諧振進行測試。這樣做的具備有益技術效果的理由如下：
與雙饋風機次同步諧振測試方法和系統的區別在於：雙饋風機次同步諧振測試是指雙饋風機接入含串補的輸電系統，由於串補電容為容性，輸電線路、變壓器、雙饋風機等為感性，構成了LC諧振迴路，在雙饋風機呈現負電阻，且負電阻絕對值大於系統總電阻的情況下會發生次同步諧振。而本發明實施例中，直驅風機可以接入含串補的輸電系統，也可以是不含串補的輸電系統。如果系統不含串補，就沒有顯性存在的電容設備，通常認為不構成LC諧振迴路，即不會發生次同步諧振。然而，直驅風機在某些頻段內會表現出電容性，是隱性的電容設備，與外部系統構成LC諧振迴路，仍然存在次同步諧振風險。因此在本發明實施例的測試中，不僅要評估其接入含串補輸電系統的風險，也要評估其接入不含串補的、不同短路容量的輸電系統的風險。
具體實施時，通過設置運行工況或直驅風機控制器的參數，激發所述直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振可以採用多種方法，例如，首先將直驅風機接到無窮大電源，待系統運行穩定後，將無窮大電源切換為輸電系統，測試是否會發生諧振現象。又如，通過降低仿真工況中的風速，激發所述直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振。或者，可以改變仿真工況中的併網風機臺數，激發所述直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振。
具體實施時，通過設置運行工況或直驅風機控制器的參數，激發所述直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振也可以採用多種方法，例如，通過設置機側和網側變流器內外環控制參數，激發所述直驅風機次同步諧振測試系統發生次同步諧振。
綜上所述，本發明實施例實現了如下技術效果：
首先，在本發明實施例中，通過在電力電子實時仿真平臺搭建實時數字仿真模型進行直驅風機次同步諧振硬體在環測試，與現有採用特徵值計算的方案相比，無需獲取直驅機組詳細的參數，即可利用電力電子實時仿真平臺和所連接的待測直驅風機控制器進行實時仿真，分析直驅風機次同步諧振；
其次，在本發明實施例中，將數字仿真與實際待測直驅風機控制器相結合，與現有採用時域仿真法測量直驅風機數字模型的次同步諧振相比，數字仿真模型可以根據不同廠家進行差異化設計，並且不但適用於經典的直驅風機模型，而且考慮實際存在的電網、風電場設備、及直驅風機設備等環節，可以使測試結果更加準確；並且考慮了實際直驅風機控制器的影響，可以使測試過程更接近工程實際，提升對工程實際的指導意義。
另外，針對直驅風機的特徵，在本發明實施例的測試中，不僅要評估其接入含串補輸電系統的風險，也要評估其接入不含串補的、不同短路容量的輸電系統的風險，因此，本發明實施例提供的直驅風機次同步諧振測試方法及系統可以全面地評價了直驅風機次同步諧振的風險及風險特徵。
本領域內的技術人員應明白，本發明的實施例可提供為方法、系統、或電腦程式產品。因此，本發明可採用完全硬體實施例、完全軟體實施例、或結合軟體和硬體方面的實施例的形式。而且，本發明可採用在一個或多個其中包含有計算機可用程序代碼的計算機可用存儲介質(包括但不限於磁碟存儲器、CD-ROM、光學存儲器等)上實施的電腦程式產品的形式。
本發明是參照根據本發明實施例的方法、設備(系統)、和電腦程式產品的流程圖和/或方框圖來描述的。應理解可由電腦程式指令實現流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結合。可提供這些電腦程式指令到通用計算機、專用計算機、嵌入式處理機或其他可編程數據處理設備的處理器以產生一個機器，使得通過計算機或其他可編程數據處理設備的處理器執行的指令產生用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
這些電腦程式指令也可存儲在能引導計算機或其他可編程數據處理設備以特定方式工作的計算機可讀存儲器中，使得存儲在該計算機可讀存儲器中的指令產生包括指令裝置的製造品，該指令裝置實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
這些電腦程式指令也可裝載到計算機或其他可編程數據處理設備上，使得在計算機或其他可編程設備上執行一系列操作步驟以產生計算機實現的處理，從而在計算機或其他可編程設備上執行的指令提供用於實現在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限定本發明的保護範圍，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。