基于RT-LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法

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2024-03-12 17:26:32

权利要求书： 1.一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法，其特征在于，包括：

步骤1、建立基于风机控制器的RT?LAB半实物仿真模型，并对建立的RT?LAB半实物仿真模型进行不同运行工况下的测试，得到测试数据，并基于最小二乘法对所述测试数据进行线性拟合，得到实际风机响应曲线；

步骤2、根据获取的风力发电系统的系统参数、电网数据和风机机组的主回路模型，对风机机组变流器一次功率回路进行建模，并绘制包含母线、单端元件、双端元件和/或三端元件的风机系统单线图，并基于PSASP软件建立包含风机、电网、线路和/或设备的PSASP模型，对所述PSASP模型进行暂稳态测试，得到风机的暂稳态响应曲线；

步骤3、将所述实际风机响应曲线与所述暂稳态响应曲线进行比对，并根据比对结果对所述PSASP模型进行修正，使得到目标风机模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法，其特征在于，在步骤1中，所述建立基于风机控制器的RT?LAB半实物仿真模型，包括：构建基于RT?LAB硬件在环的半实物仿真平台，其中，所述半实物仿真平台中包含RT?LAB上位机、仿真设备以及风机控制器；

在所述RT?LAB上位机的Simulink仿真工具中搭建风机的主回路模型，并将主回路模型下载至所述仿真设备中进行实时仿真，得到RT?LAB半实物仿真模型，其中，所述主回路模型中包括箱式变压器、交流滤波器、背靠背换流器、直流电路、发电机和/或撬棒保护电路，所述背靠背换流器采用平均值模型，发电机采用定转速控制、定转矩控制。

3.根据权利要求2所述的一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法，其特征在于，其中，所述风机控制器中包括电压采样板、电流采样板、AI板卡、DI板卡、DO板卡和控制板卡，电压采样板、所述电流采样板和AI板卡相连接，DI板卡的输入端和仿真设备的DO板卡输出端连接，DO板卡的输出端和仿真设备的DI板卡的输入端连接，控制板卡的输出端与DO板卡连接，AI板卡和DI板卡均与控制板的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法，其特征在于，所述仿真设备与所述风机控制器通过DB37线进行通信连接，其中通信过程具体为：仿真设备输出电压、电流信号，通过I/O接口输出给风机控制器，风机控制器输出PWM脉冲信号，对仿真设备中功率回路的IGBT开关进行控制；

通过仿真设备的AO板卡与风机控制器的AI板卡连接，将网侧电压传递到电压采样板，以及将网侧电流传递到电流采样板，电压采样板、电流采样板将采样得到的电压模拟量、电流模拟量转换成数字量并传递给控制板卡；

DI板卡用于接收仿真设备发送的功率回路断路器开合状态，DO板卡用于输出断路器闭合的控制信号，控制板卡用于生成控制指令并且输出PWM脉冲信号对仿真设备中的桥臂进行控制。

5.根据权利要求1所述的一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法，其特征在于，在步骤2中，绘制包含母线、单端元件、双端元件和/或三端元件的风机系统单线图包括：在绘制单端元件前，先绘制与单端元件相连接的母线，在绘制单端元件时，单端元件的一端固定于母线上，另一端自由移动；

在绘制双端元件前，先绘制与双端元件相连接的两侧母线，在绘制双端元件时，双端元件起点和终点必须分别连在不同的母线上，且双端元件由多段首尾相连的水平或竖直线段组成；

在绘制三端元件前，先绘制与三端元件相连接的三侧母线，在绘制三端元件时，三端元件与三条不同母线相连，且三端元件由若干段首尾相连的水平或者竖直线段组成。

说明书：基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法技术领域[0001] 本发明属于新能源发电建模技术领域，尤其涉及一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法。背景技术[0002] 随着风机机组的装机容量不断提升，新能源输出功率的随机性和波动性使得电力系统面临的不可控因素日益增大，风力发电、光伏发电等技术的开发应用已成为各类能源中发展最为快速的热点领域。[0003] 目前，关于风力发电的仿真验证绝大部分都采用非实时的离线(off?line)计算机仿真软件，其操作简单，对计算机的计算性能要求不高。实际仿真时间往往数十倍甚至数百倍于仿真系统设定的时间，效率低下。发明内容[0004] 本发明提供一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法，用于解决目前风机仿真的非实时和无法适用于复杂工况的技术问题。[0005] 本发明提供一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法，包括：[0006] 步骤1、建立基于风机控制器的RT?LAB半实物仿真模型，并对建立的RT?LAB半实物仿真模型进行不同运行工况下的测试，得到测试数据，并基于最小二乘法对所述测试数据进行线性拟合，得到实际风机响应曲线；[0007] 步骤2、根据获取的风力发电系统的系统参数、电网数据和风机机组的主回路模型，对风机机组变流器一次功率回路进行建模，并绘制包含母线、单端元件、双端元件和/或三端元件的风机系统单线图，并基于PSASP软件建立包含风机、电网、线路和/或设备的PSASP模型，对所述PSASP模型进行暂稳态测试，得到风机的暂稳态响应曲线；[0008] 步骤3、将所述实际风机响应曲线与所述暂稳态响应曲线进行比对，并根据比对结果对所述PSASP模型进行修正，使得到目标风机模型。[0009] 进一步地，在步骤1中，所述建立基于风机控制器的RT?LAB半实物仿真模型，包括：[0010] 构建基于RT?LAB硬件在环的半实物仿真平台，其中，所述半实物仿真平台中包含RT?LAB上位机、仿真设备以及风机控制器；[0011] 在所述RT?LAB上位机的Simulink仿真工具中搭建风机的主回路模型，并将主回路模型下载至所述仿真设备中进行实时仿真，得到RT?LAB半实物仿真模型，其中，所述主回路模型中包括箱式变压器、交流滤波器、背靠背换流器、直流电路、发电机和/或撬棒保护电路，所述背靠背换流器采用平均值模型，发电机采用定转速控制、定转矩控制。[0012] 进一步地，其中，所述风机控制器中包括电压采样板、电流采样板、AI板卡、DI板卡、DO板卡和控制板卡，电压采样板、所述电流采样板和AI板卡相连接，DI板卡的输入端和仿真设备的DO板卡输出端连接，DO板卡的输出端和仿真设备的DI板卡的输入端连接，控制板卡的输出端与DO板卡连接，AI板卡和DI板卡均与控制板的输入端连接。[0013] 进一步地，所述仿真设备与所述风机控制器通过DB37线进行通信连接，其中通信过程具体为：[0014] 仿真设备输出电压、电流信号，通过I/O接口输出给风机控制器，风机控制器输出PWM脉冲信号，对仿真设备中功率回路的IGBT开关进行控制；[0015] 通过仿真设备的AO板卡与风机控制器的AI板卡连接，将网侧电压传递到电压采样板，以及将网侧电流传递到电流采样板，电压采样板、电流采样板将采样得到的电压模拟量、电流模拟量转换成数字量并传递给控制板卡；[0016] DI板卡用于接收仿真设备发送的功率回路断路器开合状态，DO板卡用于输出断路器闭合的控制信号，控制板卡用于生成控制指令并且输出PWM脉冲信号对仿真设备中的桥臂进行控制。[0017] 进一步地，在步骤2中，绘制包含母线、单端元件、双端元件和/或三端元件的风机系统单线图包括：[0018] 在绘制单端元件前，先绘制与单端元件相连接的母线，在绘制单端元件时，单端元件的一端固定于母线上，另一端自由移动；[0019] 在绘制双端元件前，先绘制与双端元件相连接的两侧母线，在绘制双端元件时，双端元件起点和终点必须分别连在不同的母线上，且双端元件由多段首尾相连的水平或竖直线段组成；[0020] 在绘制三端元件前，先绘制与三端元件相连接的三侧母线，在绘制三端元件时，三端元件与三条不同母线相连，且三端元件由若干段首尾相连的水平或者竖直线段组成。[0021] 本申请的基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法，以实际风机控制器为原型，通过硬件在环半实物仿真和线性拟合方法，模拟出可用于风机/风场建模的实际风机响应曲线，并通过PSASP系统建立风机模型，与半实物仿真系统所建立模型进行联合校验，修正PSASP模型，能精细化传统风场建模过程，并为模拟复杂工况下的风机建模提供了解决方案。附图说明[0022] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0023] 图1为本发明一实施例提供的一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法的流程图；[0024] 图2为本发明一实施例提供一个具体实施例的绘制母线的示意图；[0025] 图3为本发明一实施例提供一个具体实施例的绘制单端元件的示意图；[0026] 图4为本发明一实施例提供一个具体实施例的绘制双端元件的示意图；[0027] 图5为本发明一实施例提供一个具体实施例的绘制三端元件的示意图；[0028] 图6为本发明一实施例提供一个具体实施例的基于RT?LAB硬件在环仿真曲线和PSASP仿真曲线的对比和校正图。具体实施方式[0029] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例一

[0030] 请参阅图1，其示出了本申请的一种基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法的流程图。[0031] 如图1所示，基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法具体包括以下步骤：[0032] 步骤1、建立基于风机控制器的RT?LAB半实物仿真模型，并对建立的RT?LAB半实物仿真模型进行不同运行工况下的测试，得到测试数据，并基于最小二乘法对所述测试数据进行线性拟合，得到实际风机响应曲线。[0033] 在本实施例中，构建基于RT?LAB硬件在环的半实物仿真平台，其中，半实物仿真平台中包含RT?LAB上位机、仿真设备以及风机控制器；在RT?LAB上位机的Simulink仿真工具中搭建风机的主回路模型，并将主回路模型下载至仿真设备中进行实时仿真，得到RT?LAB半实物仿真模型。[0034] 需要说明的是，主回路模型中包括箱式变压器、交流滤波器、背靠背换流器、直流电路、发电机和/或撬棒保护电路，背靠背换流器采用平均值模型，发电机采用定转速控制、定转矩控制。[0035] 具体地，风机控制器中包括电压采样板、电流采样板、AI板卡、DI板卡、DO板卡和控制板卡，电压采样板、电流采样板和AI板卡相连接，DI板卡的输入端和仿真设备的DO板卡输出端连接，DO板卡的输出端和仿真设备的DI板卡的输入端连接，控制板卡的输出端与DO板卡连接，AI板卡和DI板卡均与控制板的输入端连接。[0036] 仿真设备与所述风机控制器通过DB37线通信过程具体为：仿真设备输出电压、电流信号，通过I/O接口输出给风机控制器，风机控制器输出PWM脉冲信号，对仿真设备中功率回路的IGBT开关进行控制；通过仿真设备的AO板卡与风机控制器的AI板卡连接，将网侧电压传递到电压采样板，以及将网侧电流传递到电流采样板，电压采样板、电流采样板将采样得到的电压模拟量、电流模拟量转换成数字量并传递给控制板卡；DI板卡用于接收仿真设备发送的功率回路断路器开合状态，DO板卡用于输出断路器闭合的控制信号，控制板卡用于生成控制指令并且输出PWM脉冲信号对仿真设备中的桥臂进行控制。[0037] 步骤2、根据获取的风力发电系统的系统参数、电网数据和风机机组的主回路模型，对风机机组变流器一次功率回路进行建模，并绘制包含母线、单端元件、双端元件和/或三端元件的风机系统单线图，并基于PSASP软件建立包含风机、电网、线路和/或设备的PSASP模型，对所述PSASP模型进行暂稳态测试，得到风机的暂稳态响应曲线。[0038] 在本实施例中，绘制所述风机系统单线图的要求包括：在绘制单端元件前，先绘制与单端元件相连接的母线，在绘制单端元件时，单端元件的一端固定于母线上，另一端自由移动；在绘制双端元件前，先绘制与双端元件相连接的两侧母线，在绘制双端元件时，双端元件起点和终点必须分别连在不同的母线上，且双端元件由多段首尾相连的水平或竖直线段组成；在绘制三端元件前，先绘制与三端元件相连接的三侧母线，在绘制三端元件时，三端元件与三条不同母线相连，且三端元件由若干段首尾相连的水平或者竖直线段组成。[0039] 具体地，对所述PSASP模型进行暂稳态测试具体为：采用梯形隐积分的迭代法求解微分方程；采用直接三角分解和迭代相结合的方法求解网络方程；微分方程和网络方程两者交替迭代，直至收敛，以完成一个时段的求解，从而得到风机的暂稳态响应曲线。[0040] 步骤3、将所述实际风机响应曲线与所述暂稳态响应曲线进行比对，并根据比对结果对所述PSASP模型进行修正，使得到目标风机模型。[0041] 综上，本申请的方法以实际风机控制器为原型，通过硬件在环半实物仿真和线性拟合方法，模拟出可用于风机/风场建模的实际风机响应曲线，并通过PSASP系统建立风机模型，与半实物仿真系统所建立模型进行联合校验，修正PSASP模型，能精细化传统风场建模过程，并为模拟复杂工况下的风机建模提供了解决方案。实施例二

[0042] 在一个具体实施示例中，本发明提供的基于RT?LAB硬件在环与PSASP联合检验的风机建模方法，可以包括如下步骤：[0043] 步骤一：构建基于RT?LAB硬件在环的半实物仿真平台。[0044] 本实施例中的，基于RT?LAB硬件在环的半实物仿真平台主要包括上位机、仿真设备和风机控制器。仿真设备和风机控制器之间通过I/O口(包含数字量接口与模拟量接口)相连接。在上位机的Simulink仿真工具中对2MW直驱风机的一次功率回路进行建模，仿真设备输出电压、电流信号，通过I/O接口输出给风机控制器，风机控制器输出PWM脉冲，对仿真设备中的一次功率回路的IGBT开关进行控制。[0045] 主回路模型的主电路应与实际风力发电设备相一致，包括但不限于箱式变压器、交流滤波器、背靠背换流器、直流chopper电路、发电机、撬棒保护crowbar电路等。主回路模型中背靠背换流器可采用平均值模型，发电机采用定转速控制、定转矩控制。风机控制器应具备的控制功能，包括但不限于启动或软启动控制、正常功率控制、高低穿控制、直流侧保护、撬棒保护、电压频率保护等。风机控制器输出内部信号，应包括但不限于锁相环输出相位、内外环控制输出信号、高低穿标志位、保护标志位等。[0046] 仿真设备与风机控制器通过DB37线进行连接与通信；其中集成在风机控制器上有电压采样板、电流采样板、AI板卡、DI板卡、DO板卡、控制板卡。电压采样板、电流采样板与AI板卡连接，DI板卡的输入端和仿真设备的DO板卡的输出端连接，DO板卡的输出端和仿真设备的DI板卡的输入端连接，控制板卡的输出端和DO板卡连接，AI板卡和DI板卡均与控制板的输入端连接。[0047] 通过更改Simulink仿真工具建立的风机系统模型来模拟风机高压穿越、低压穿越、连续穿越等的实际工况，在MATLAB（矩阵实验室）中运行成功后，经过RT?LAB软件的编译和下载到实时仿真设备里面。[0048] 仿真实时运行过程中，网侧电压通过仿真设备的AO板卡与风机控制器的AI板卡连接传递到电压采样板，网侧电流通过仿真设备的AO板卡与风机控制器的AI板卡连接传递到电流采样板，然后将采样得到的电压、电流的模拟量转换成数字量并传递给控制板卡，所述DI板卡用于接收仿真设备发送的功率回路断路器的开合状态，所述DO板卡用于输出断路器闭合的控制信号，所述控制板卡生成控制指令并且输出PWM脉冲信号对仿真设备的桥臂进行控制。[0049] 对测试的数据利用最小二乘法线性拟合的方法，在实验室可模拟出用于风场建模的实际风机响应曲线。[0050] 步骤二：构建PSASP仿真建模平台。[0051] 本实施例中的，所述的PSASP仿真平台主要包括根据RT?LAB所建立模型，在PSASP系统中构建出包含电网、风机、线路在内的完整电网模型。母线是系统单线图中最基本的元件，绘制其他元件都必须先绘制相应母线。如图2母线在单线图中用一条线段表示；发电机、负荷、并联电抗器、并联电容器、静止无功补偿器等属于单端元件，这种元件的共同特点是只与一条母线（节点）相连，因此其一端固定于母线（节点）上，另一端可以自由移动。如图3，BUS1为序号为1的母线，绘制此类元件之前，必须首先绘制其所连母线（节点）；交流线、直流线、两绕组变压器、移相变压器、串联电容器、串联电抗器等都属于双端元件，这种元件的共同特点是：它们的起点和终点必须分别连在不同的母线（节点）上，如图4，BUS24为序号为24的母线，BUS23为序号为23的母线，绘制此类元件之前，必须首先绘制其两侧母线（节点），此类元件可由多段首尾相连的水平或竖直线段组成；三绕组变压器、三绕组自耦变压器属于三端元件，特点是：与三条不同母线（节点）相连，它包括三条折线，每条折线由若干段首尾相连的水平或者竖直线段组成。如图5绘制此类元件之前，必须首先绘制其三侧母线（节点），其中BUS11为序号为11的母线，BUS51为序号为51的母线，BUS9为序号为9的母线。[0052] 在PSASP平台建立好风机系统的模型后，设计PSASP系统参数，进行模型暂稳态测试。相关的操作步骤：1）建立暂稳作业，进入暂稳计算运行环境后，设置计算基本信息；2）设置网络故障；3）设置输出信息；4）设置自动分析；5）执行计算。经过上述的步骤后，最终得到暂稳态输出的响应曲线，与RT?LAB结果进行对比，修正PSASP模型，最终完成模型设计。[0053] 图6展示了在某一种工况下的基于RT?LAB硬件在环仿真曲线和PSASP仿真曲线的对比和校正图，硬件在环与PSASP联合模拟并校验风机模型，既能根据实际风机控制器精准实现风机复杂工况的实验室复现，又能借助硬件在环的计算能力提高风机模拟的效率和计算精度。[0054] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。