直驱风机次同步谐振测试系统及方法与流程

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种直驱风机次同步谐振测试系统及方法。

背景技术：

风电已成为中国能源战略的重要组成分。但由于我国相当一大部分风电集中在新疆、甘肃、内蒙古等西北地区，风电汇集地区往往电网比较薄弱。此前的研究认为，双馈风机的风电场通过串补电容，以提高输电能力的输电系统送出电时，存在发生次同步谐振的风险，而直驱风机由于通过全功率变换器与电网解耦，因此不会发生次同步振荡。

2015年7月我国新疆地区发生了直驱风机参与的风电次同步振荡现象，目前，仅是从学术上定性认识到风电系统通过串补输送时存在发生次同步谐振的风险，但却没有针对直驱风机次同步谐振的定量测试方法。

目前对风电次同步谐振的分析主要采用特征值计算和时域仿真的方法，特征值计算需要风机机组详细的参数，往往难以获取；时域仿真通常采用经典的风机模型，并未考虑不同厂家的风机在次同步谐振时的不同表现，并且时域仿真与实际情况存在差异，与工程实际的一致性有待校核。因此，目前还缺乏一种贴近工程实际、切实可行的、能够考虑不同厂家产品差异性的次同步谐振测试方法和系统。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种直驱风机次同步谐振测试系统，用以灵活简便地实现直驱风机次同步谐振测试，并接近工程实际，使测试结果更加准确，该直驱风机次同步谐振测试系统包括：

电力电子实时仿真平台，电力电子实时仿真平台搭建有包括电网、风电场设备、及直驱风机设备的实时数字仿真模型；实时数字仿真模型经实时化后下载至电力电子实时仿真平台的仿真机中；电网包括无穷大电压和输电系统；输电系统包括：输电线路及变压器；

待测直驱风机控制器，通过仿真机的输入输出接口，与实时数字仿真模型进行连接。

在一个实施例中，输电系统还包括串补电容。

在一个实施例中，风电场设备包括风电场的变压器及汇集线路；直驱风机设备包括风电机组的轴系、电机、变流器主电路、保护电路及滤波支路。

在一个实施例中，实时数字仿真模型输出的模拟量包括：电网电压、电网电流、定子电压、定子电流、网侧电压、网侧模块电流、机侧电压、机侧模块电流、直流母线电压、及转子转速其中之一或任意组合；

实时数字仿真模型输出的数字量包括：网侧接触器合闸信号。

在一个实施例中，实时数字仿真模型输入的数字量包括：网侧变流器IGBT脉冲信号、机侧变流器IGBT脉冲信号，及网侧接触器合闸信号其中之一或任意组合。

本发明实施例还提供了一种直驱风机次同步谐振测试方法，用以灵活简便地实现直驱风机次同步谐振测试，并接近工程实际，使测试结果更加准确，该测试方法包括：

将上述不含串补电容输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统中的电力电子实时仿真平台接入待测直驱风机控制器；

通过设置运行工况或直驱风机控制器的参数，激发上述直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振；

提取上述直驱风机次同步谐振测试系统的电压及电流信号，分析上述直驱风机次同步谐振测试系统的次同步谐振特征；

改变输电系统的短路容量、运行工况或直驱风机控制器的参数，重复上述激发次同步谐振及分析次同步谐振特征的过程。

在一个实施例中，上述测试方法，还包括：

将含串补电容输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统中的电力电子实时仿真平台接入待测直驱风机控制器；

通过设置运行工况或直驱风机控制器的参数，激发含串补电容输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振；

提取含串补电容输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统的电压及电流信号，分析该直驱风机次同步谐振测试系统的次同步谐振特征；

改变运行工况或直驱风机控制器的参数，重复上述激发次同步谐振及分析次同步谐振特征的过程。

在一个实施例中，通过设置运行工况或直驱风机控制器的参数，激发直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振，包括：

通过降低仿真工况中的风速，激发直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振。

在一个实施例中，通过设置运行工况或直驱风机控制器的参数，激发直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振，包括：

改变仿真工况中的并网风机台数，激发直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振。

在一个实施例中，通过设置运行工况或直驱风机控制器的参数，激发直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振，包括：

通过设置机侧和网侧变流器内外环控制参数，激发直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振。

在本发明实施例中，通过在电力电子实时仿真平台搭建实时数字仿真模型进行直驱风机次同步谐振测试，与现有采用特征值计算的方案相比，无需获取直驱机组详细的参数，即可利用电力电子实时仿真平台和所连接的待测直驱风机控制器进行实时仿真，分析直驱风机次同步谐振。

在本发明实施例中，将数字仿真与实际待测直驱风机控制器相结合，与现有采用时域仿真法测量直驱风机数字模型的次同步谐振相比，数字仿真模型可以根据不同厂家进行差异化设计，并且不但适用于经典的直驱风机模型，而且考虑实际存在的电网、风电场设备、及直驱风机设备等环节，可以使测试结果更加准确；并且考虑了实际直驱风机控制器的影响，可以使测试过程更接近工程实际，提升对工程实际的指导意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。在附图中：

图1为本发明实施例中直驱风机次同步谐振测试系统的示意图；

图2为本发明实施例中基于RT-LAB的直驱风机次同步谐振测试系统实例图；

图3为本发明实施例中直驱风机次同步谐振测试方法的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

发明人发现直驱风机在某些频段内会呈现负电阻和电容的阻抗特性，与外部系统的电感构成谐振回路，也会引起次同步谐振现象，由于发现了这个问题，发明人提出了一种直驱风机次同步谐振测试系统及方法。下面对该系统及方法进行详细介绍。

为了灵活简便地实现直驱风机次同步谐振测试，并接近工程实际，使测试结果更加准确，本发明实施例提供一种直驱风机次同步谐振测试系统，如图1所示，该系统可以包括：

电力电子实时仿真平台1，电力电子实时仿真平台1搭建有包括电网、风电场设备、及直驱风机设备的实时数字仿真模型11；实时数字仿真模型11经实时化后下载至电力电子实时仿真平台1的仿真机12中；电网包括无穷大电压和输电系统；输电系统包括：输电线路及变压器；

待测直驱风机控制器2，通过仿真机12的输入输出接口121，与实时数字仿真模型11进行连接。

可以得知，本发明实施例的直驱风机次同步谐振测试系统，能够实现直驱风机控制器的测试，在实时数字仿真模型中能够灵活设置测试条件和运行工况，操作简便灵活，而且采用实际的物理控制器，较之现有技术中完全采用数字仿真的方案更接近工程实际。该测试系统能够考虑实际控制器的影响，实现对不同厂家直驱风机的次同步谐振测量。

在本实施中，所述电网包括无穷大电压和输电系统；所述输电系统包括：输电线路及变压器；因此，本实施例提供的直驱风机次同步谐振测试系统，可以用于测量不含串补电容的输电系统的直驱风机次同步谐振测试。

实施例中该直驱风机次同步谐振测试系统，可以在实时数字仿真模型中设置不同的运行工况或修改控制器参数等，测试不同的测试条件下是否会发生次同步谐振以及根据直驱风机的响应情况等分析不同测试条件下的次同步谐振特征，从而通过仿真测试对直驱风机次同步谐振特性进行全面的分析。

具体实施时，可以采用多种电力电子实时仿真平台实现直驱风机次同步谐振硬件在环测试。例如可以基于RT-LAB等电力电子实时仿真平台进行直驱风机次同步谐振硬件在环测试。以RT-LAB为例，可以在RT-LAB中搭建包括电网、风电场设备、及直驱风机设备等的实时数字仿真模型，将某厂家的直驱风机控制器通过RT-LAB仿真机的IO接口与在RT-LAB搭建的实时数字仿真模型相连，从而实现用于直驱风机次同步谐振测试的硬件在环仿真系统，该系统采用直驱风机变流器控制器实物与数字仿真模型构成一闭环系统。

具体实施时，在一个实施例中，实时数字仿真模型中的电网的输电系统还包括串补电容。该实施例提供的直驱风机次同步谐振测试系统的输电系统为含串补电容的输电系统；因此，本实施例提供的直驱风机次同步谐振测试系统，可以用于测量含串补电容的输电系统的直驱风机次同步谐振测试。

具体实施时，风电场设备可以包括风电场的变压器及汇集线路等；直驱风机设备可以包括风电机组的轴系、电机、变流器主电路、保护电路及滤波支路等。在实时数字仿真模型中可以设置特定的运行工况，激发次同步谐振进行分析。

图2为本发明实施例中基于RT-LAB的直驱风机次同步谐振测试系统实例图。如图2所示，在RT-LAB搭建的实时数字仿真模型包括代表大电网的无穷大电压，所研究电网的输电线路、变压器及串补等，风电场的变压器及汇集线路等设备，风电机组的轴系、电机、变流器主电路、保护电路及滤波支路等的数字模型。实时数字仿真模型经实时化后可以编译成C代码，并下载到RT-LAB仿真机中。图2中与实时数字仿真模型相连接的是直驱风机控制器实物，可以采用不同厂家已经市场化的产品，与现场运行的直驱风机中安装的控制器一致；也可以采用正在研制中的产品进行测试。控制器实物与实时数字仿真模型通过RT-LAB仿真机上的IO接口进行连接。图2中示出了数字仿真模型上的传输线路、电压源、风机汇集线、风电机组控制器实物等，还示出了仿真机IO接口输出或输入的220KV电压信号、机端电压信号、机端电流信号及风机控制信号。

具体实施时，实时数字仿真模型输出的模拟量可以包括：电网电压、电网电流、定子电压、定子电流、网侧电压、网侧模块电流、机侧电压、机侧模块电流、直流母线电压、及转子转速其中之一或任意组合。具体实施时，实时数字仿真模型输出的数字量可以包括：网侧接触器合闸信号。具体实施时，实时数字仿真模型输入的数字量可以包括：网侧变流器IGBT脉冲信号、机侧变流器IGBT脉冲信号，及网侧接触器合闸信号其中之一或任意组合。

图3为本发明实施例中直驱风机次同步谐振测试方法的示意图，如图3所示，该直驱风机次同步谐振测试方法可以包括：

步骤301、将上述不含串补电容输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统中的电力电子实时仿真平台接入待测直驱风机控制器；

步骤302、通过设置运行工况或直驱风机控制器的参数，激发所述直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振；

步骤303、提取所述直驱风机次同步谐振测试系统的电压及电流信号，分析所述直驱风机次同步谐振测试系统的次同步谐振特征；

步骤304、改变输电系统的短路容量、运行工况或直驱风机控制器的参数，重复上述激发次同步谐振及分析次同步谐振特征的过程。

如前所述，本发明实施例中直驱风机次同步谐振测试方法能够将实际的直驱风机控制器接入到上述直驱风机次同步谐振测试系统的电力电子实时仿真平台中，使测试结果与工程实际更为接近，又避免了现场测试的局限性。该测试方法能够对不同厂家控制器在次同步谐振情况下的响应情况进行测试，便于评估其次同步谐振的风险，划定次同步谐振稳定边界。

举一例，直驱风机次同步谐振的测试步骤可以如下：

①用前文的不含串补电容输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统中的电力电子实时仿真平台，接入待测直驱风机控制器；

②通过设置特定的运行工况或控制器参数等，激发直驱风机次同步谐振测试系统次同步谐振。

③提取电压、电流等电气量，分析次同步谐振特征。

④改变输电系统的短路容量，运行工况或直驱风机控制器的参数重复上述步骤。通过仿真测试直驱风机接到不同短路容量的系统中时次同步谐振的风险和特征。

考虑了直驱风机的特征，将短路容量这一技术特征考虑进本发明实施例中，评估其接入不含串补的、不同短路容量的输电系统发生次同步谐振的风险及风险特征，全面地评价了直驱风机次同步谐振的风险及风险特征。

具体实施时，在一个实施例中，上述测试方法，还包括：

将含串补电容输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统中的电力电子实时仿真平台接入待测直驱风机控制器；

通过设置运行工况或直驱风机控制器的参数，激发含串补电容输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振；

提取含串补电容输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统的电压及电流信号，分析该直驱风机次同步谐振测试系统的次同步谐振特征；

改变运行工况或直驱风机控制器的参数，重复上述激发次同步谐振及分析次同步谐振特征的过程。

在本发明实施例中，首先对接入不含串补电容的输电系统的直驱风机次同步谐振测试系统进行测试，再对接入含串补电容的输电系统的直驱风机次同步谐振进行测试。这样做的具备有益技术效果的理由如下：

与双馈风机次同步谐振测试方法和系统的区别在于：双馈风机次同步谐振测试是指双馈风机接入含串补的输电系统，由于串补电容为容性，输电线路、变压器、双馈风机等为感性，构成了LC谐振回路，在双馈风机呈现负电阻，且负电阻绝对值大于系统总电阻的情况下会发生次同步谐振。而本发明实施例中，直驱风机可以接入含串补的输电系统，也可以是不含串补的输电系统。如果系统不含串补，就没有显性存在的电容设备，通常认为不构成LC谐振回路，即不会发生次同步谐振。然而，直驱风机在某些频段内会表现出电容性，是隐性的电容设备，与外部系统构成LC谐振回路，仍然存在次同步谐振风险。因此在本发明实施例的测试中，不仅要评估其接入含串补输电系统的风险，也要评估其接入不含串补的、不同短路容量的输电系统的风险。

具体实施时，通过设置运行工况或直驱风机控制器的参数，激发所述直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振可以采用多种方法，例如，首先将直驱风机接到无穷大电源，待系统运行稳定后，将无穷大电源切换为输电系统，测试是否会发生谐振现象。又如，通过降低仿真工况中的风速，激发所述直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振。或者，可以改变仿真工况中的并网风机台数，激发所述直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振。

具体实施时，通过设置运行工况或直驱风机控制器的参数，激发所述直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振也可以采用多种方法，例如，通过设置机侧和网侧变流器内外环控制参数，激发所述直驱风机次同步谐振测试系统发生次同步谐振。

综上所述，本发明实施例实现了如下技术效果：

首先，在本发明实施例中，通过在电力电子实时仿真平台搭建实时数字仿真模型进行直驱风机次同步谐振硬件在环测试，与现有采用特征值计算的方案相比，无需获取直驱机组详细的参数，即可利用电力电子实时仿真平台和所连接的待测直驱风机控制器进行实时仿真，分析直驱风机次同步谐振；

其次，在本发明实施例中，将数字仿真与实际待测直驱风机控制器相结合，与现有采用时域仿真法测量直驱风机数字模型的次同步谐振相比，数字仿真模型可以根据不同厂家进行差异化设计，并且不但适用于经典的直驱风机模型，而且考虑实际存在的电网、风电场设备、及直驱风机设备等环节，可以使测试结果更加准确；并且考虑了实际直驱风机控制器的影响，可以使测试过程更接近工程实际，提升对工程实际的指导意义。

另外，针对直驱风机的特征，在本发明实施例的测试中，不仅要评估其接入含串补输电系统的风险，也要评估其接入不含串补的、不同短路容量的输电系统的风险，因此，本发明实施例提供的直驱风机次同步谐振测试方法及系统可以全面地评价了直驱风机次同步谐振的风险及风险特征。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。