光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统及方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及光伏虚拟机并网稳定性硬件在环测试系统及方法。

背景技术：

近年来，光伏发电已成为中国能源战略的重要组成分，这种基于逆变器接口的新能源在电力系统中所占比重增长较快，包括中国、欧盟和美国在内的国家和地区均制定了各自的清洁能源发展计划。与传统电力系统中占支配地位的同步发电机相比，基于电力电子逆变接口的光伏发电几乎不存在有利于保持系统稳定的旋转惯性和阻尼分量，其大量接入会影响到电力系统的动态响应及稳定性。因此，模拟同步发电机转子运动方程、一次调频及调压控制功能的光伏虚拟同步发电机技术逐步开展示范应用。

电压控制型光伏虚拟同步机可以在并网和自治模式下运行，模拟同步发电机的转子和一次调频特性，提高了系统频率的稳定性。相比而言，电流控制型虚拟同步机只适用于并网场景，在弱电网或自治模式下难以支撑系统电压。然而，电压控制型光伏虚拟同步机由于其自身实现虚拟同步功能引入的惯性时间常数、下垂系数等，会引入新的振荡模态，因此，其推广应用后的并网稳定性值得深入分析。目前，仅是从学术上定性认识到光伏虚拟同步机在虚拟同步控制参数设置不合理下存在发生低频谐振的风险，但却没有一套行之有效的测试方法和系统。

目前，对光伏虚拟同步机并网谐振的分析主要采用频域小信号分析和时域仿真的方法，小信号模型求解需要光伏虚拟同步机的详细的参数，往往难以获取；时域仿真通常采用准确的光伏虚拟同步机仿真模型，且未考虑不同厂家的光伏虚拟同步机不同的并网稳定性问题。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光伏虚拟同步机并网稳定性测试方法和系统。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种光伏虚拟机并网稳定性硬件在环测试系统及方法。

本发明实施例一方面提供了一种光伏虚拟机并网稳定性硬件在环测试系统，包括：

电力电子实时仿真平台，所述电力电子实时仿真平台搭建有包括电网、光伏虚拟同步机集群设备及光伏虚拟同步机设备的实时数字仿真模型；所述实时数字仿真模型经实时化后下载至所述电力电子实时仿真平台的仿真机中；

待测光伏虚拟同步机控制器通过所述仿真机的输入输出接口与所述实时数字仿真模型连接。

在一个实施例中，所述电网包括无穷大电压、输电线路、变压器及无功补偿装置；所述光伏虚拟同步机集群设备包括变压器和汇集线路；所述光伏虚拟同步机设备包括直流变换器主电路、储能单元、逆变器主电路及滤波支路。

在一个实施例中，所述实时数字仿真模型输出的模拟量包括：网侧三相电压、网侧三相电流、机端三相电压、机端三相电流、直流母线电压、直流母线电流其中之一或任意组合。

在一个实施例中，输入所述实时数字仿真模型的数字量包括：逆变器igbt脉冲信号、直流变流器igbt脉冲信号及机侧接触器合闸信号其中之一或任意组合。

在一个实施例中，所述电力电子实时仿真平台包括rt-lab。

本发明实施例另一方面还提供了一种光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试方法，包括：

在所述的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中接入待测光伏虚拟同步机控制器；

通过设置运行工况或待测光伏虚拟同步机控制器的参数，激发所述光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生低频谐振或高频谐振；

提取所述光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中网侧及机端的电压信号、电流信号，根据所述电压信号、电流信号分析所述光伏虚拟同步机的谐振特征；

改变运行工况或所述待测光伏虚拟同步机控制器的参数，重复上述激发低频谐振或高频谐振的过程及分析谐振特征的过程。

在一个实施例中，通过设置待测光伏虚拟同步机控制器的参数，激发所述光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生低频谐振，包括：

通过增加所述待测光伏虚拟同步机控制器的惯性时间常数，激发所述光伏虚拟同步机发生低频谐振。

在一个实施例中，通过设置待测光伏虚拟同步机控制器的参数，激发所述光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生低频谐振，包括：

通过改变所述光伏虚拟同步机控制器的有功调频系数，激发所述光伏虚拟同步机发生低频谐振。

在一个实施例中，通过改变所述光伏虚拟同步机控制器的有功调频系数，激发所述光伏虚拟同步机发生低频谐振，包括：

通过设置所述有功调频系数小于一设定值，激发所述光伏虚拟同步机发生低频谐振。

在一个实施例中，通过设置待测光伏虚拟同步机控制器的参数，激发所述光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生低频谐振，包括：

通过设置逆变电路电流内环的控制参数，激发所述光伏虚拟同步机发生低频谐振。

在一个实施例中，通过设置运行工况，激发所述光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生高频谐振，包括：

通过降低输电线路的电阻，激发所述光伏虚拟同步机发生高频谐振。

在一个实施例中，通过设置运行工况，激发所述光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生高频谐振，包括：

通过改变输电线路的电感或无功补偿装置的感性无功输出，激发所述光伏虚拟同步机发生高频谐振。

在一个实施例中，通过改变输电线路的电感或无功补偿装置的感性无功输出，激发所述光伏虚拟同步机并发生高频谐振，包括：

通过设置输电线路的电感或无功补偿装置的感性无功输出超过一设定值，激发所述光伏虚拟同步机发生高频谐振。

在一个实施例中，通过设置待测光伏虚拟同步机控制器的参数，激发所述光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生高频谐振，包括：

通过设置逆变电路电流内环的控制参数，激发所述光伏虚拟同步机发生高频谐振。

本发明实施例为光伏虚拟同步机并网稳定性研究提供了一种普遍适用性的检测验证手段，建立基于实物控制器的半实物仿真平台，使得并网稳定性分析结果更贴近工程实际。

利用本发明实施例，可以灵活简便地实现光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试，能够将实际的光伏虚拟同步机控制器接入到测试系统中，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。

另外，利用本发明实施例提出的测试方法能够对不同厂家的控制器在谐振情况下的响应情况进行测试，便于评估其并网谐振的风险，划定并网谐振稳定边界。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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。

图1为本发明实施例光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中基于rt-lab的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统的原理图；

图3为本发明实施例光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试方法的流程示意图；

图4a及图4b为本发明实施例在有功调频系数为9.42时得到的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统的低频谐振波形；

图5a及图5b为本发明实施例在惯性时间常数为3.25时得到的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统的低频谐振波形。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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做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。

为了使光伏虚拟同步机并网稳定性测试更贴近工程实际，并使测试结果更加准确，本发明实施例提供了一种光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统，其结构构成如图1所示，该测试系统通常包括一电力电子实时仿真平台1，该电力电子实时仿真平台1搭建有包括电网、光伏虚拟同步机集群设备及光伏虚拟同步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。通常地，上述的硬件在环测试系统还包括待测光伏虚拟同步机控制器2，其通过仿真机12的输入输出接口121与实时数字仿真模型11连接。

本发明实施例提供的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统，能够实现光伏虚拟同步机控制器的硬件在环测试，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，而且采用物理控制器，较现有技术中完全采用数字仿真的方案更接近工程实际，并且该测试系统能考虑实际控制器的影响，实现对不同厂家的光伏虚拟同步机的并网稳定性测试。

利用本发明实施例提供的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统，可以通过在实时数字仿真模型中设置不同的运行工况或修改被测光伏虚拟同步机控制器的参数等方式，测试不同条件下该系统中的光伏虚拟同步机是否会发生低频谐振或高频谐振，并获取不同测试条件下光伏虚拟同步机的响应情况，从而通过仿真测试对光伏虚拟同步机的谐振特征进行全面分析。

在具体实施时，可以采用多种电力电子实时仿真平台实现光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试。例如，可以基于rt-lab等电力电子实时仿真平台实现光伏虚拟同步机的并网稳定性硬件在环测试。该实施例仅以rt-lab为例对本发明的发明构思进行说明，并非作为对本发明的限制。

在rt-lab中搭建包括电网、光伏虚拟同步机集群设备及光伏虚拟同步机设备的实时数字仿真模型，将某厂家的光伏虚拟同步机控制器通过rt-lab仿真机的io板卡(即输入输出接口)与在rt-lab中搭建的实时数字仿真模型相连接，搭建用于光伏虚拟同步机并网稳定性测试的硬件在环仿真平台。通过在仿真模型中设置特定的运行工况或修改控制器参数等，测试系统是否发生谐振、谐振的特征和光伏虚拟同步机的响应情况等。

在一个实施例中，实时数字仿真模型中的电网可以包括无穷大电压、输电线路、变压器及无功补偿装置等。光伏虚拟同步机集群设备包括变压器和汇集线路等。光伏虚拟同步机设备包括直流变换器主电路、储能单元、逆变器主电路及滤波支路等。

图2所示为本发明实施例基于rt-lab的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统的示例图。如图2所示，在rt-lab中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、变压器和无功补偿装置等设备的数字仿真模型，光伏虚拟同步机集群的变压器、汇集电路等设备的数字模型，光伏虚拟同步机的直流变换器主电路、储能单元、逆变器主电路、滤波支路等的数字模型。实时数字仿真模型实时化后编译成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的是光伏虚拟同步机控制器实物，可以采用不同厂家已经市场化的产品，与现场运行的光伏虚拟同步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板卡进行连接。图2中示出了实时数字仿真模型上的电压源、传输线路、变压器、光伏汇集线、光伏虚拟机控制器实物等，还示出了仿真机io接口输出或输入的机端电压信号、机端电流信号及光伏虚拟同步机控制信号。

具体实施时，rt-lab中的实时数字仿真模型输出的模拟量可以包括：网侧三相电压、网侧三相电流、机端三相电压、机端三相电流、直流母线电压、直流母线电流等参数的其中之一或任意组合。具体实施时，输入rt-lab中的实时数字仿真模型的数字量可以包括：逆变器igbt脉冲信号、直流变流器igbt脉冲信号及机侧接触器合闸信号等参数其中之一或任意组合。

图3所示为本发明实施例中光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试方法的流程示意图，如图3所示，该光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试方法可以包括以下步骤：

步骤31，在上述的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中接入待测光伏虚拟同步机控制器。

步骤32，通过设置运行工况或待测光伏虚拟同步机控制器的参数，激发光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生低频谐振或高频谐振。

步骤33，提取光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中网侧及机端的电压信号、电流信号，根据所提取的电压信号、电流信号分析所述光伏虚拟同步机的谐振特征。

步骤34，改变运行工况或所述待测光伏虚拟同步机控制器的参数，重复上述激发低频谐振或高频谐振的过程及分析谐振特征的过程。

本发明实施例中光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试方法能够将实际的光伏虚拟同步机控制器接入到上述的测试系统中，避免现场测试的局限性，又可以使测试结果更加贴近工程实际。利用本发明实施例提供的硬件在环测试方法，能够对不同厂家控制器在谐振情况下的响应情况进行测试，便于评估其并网谐振的风险，划定并网谐振稳定边界。

在对光伏虚拟同步机的并网稳定性进行测试时，可以按照下述测试步骤进行：

①利用前文所述的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统，接入待测光伏虚拟同步机控制器。

②通过设置特定的运行工况或控制器参数等，激发光伏虚拟同步机发生低频谐振或高频谐振。

③提取网侧和机端的电压、电流等电气量，分析光伏虚拟同步机的谐振特征。

④改变仿真工况或控制器参数等，测试系统在不同条件下是否会发生谐振以及不同条件下的谐振特征。通过仿真测试对系统的谐振特性进行全面的分析。

具体实施时，通过设定待测光伏虚拟同步机控制器的参数，激发光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生低频谐振可以采用多种方式，例如，可以通过增加虚拟同步控制器的惯性时间常数，激发光伏虚拟同步机发生低频谐振。或者，也可以采用改变所述光伏虚拟同步机控制器的有功调频系数的方式，来激发光伏虚拟同步机发生低频谐振，当将有功调频系数降低至某一临界值时，硬件在环测试系统的阻尼最差，最容易发生低频谐振，该临界值可设定。又如，还可以通过设置逆变电路电流内环的控制参数，激发光伏虚拟同步机发生低频谐振，比如在逆变电路的虚拟阻感比增大时，虚拟同步机阻尼减小，更容易发生低频谐振。

具体实施时，通过设置运行工况，激发光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统中的光伏虚拟同步机发生高频谐振也可以采用多种方式，例如，可以通过降低系统输电线路的电阻，来光伏虚拟同步机发生高频谐振。或者，可以通过改变输电线路的电感或无功补偿装置的感性无功输出，激发光伏虚拟同步机发生高频谐振，当线路电感或无功补偿装置的感性无功输出增加至某一临界值时，系统阻尼最差，最容易发生高频谐振，此处的临界值可设定。又如，还可以通过设置逆变电路电流内环的控制参数，激发光伏虚拟同步机发生高频谐振，比如调节逆变电路的虚拟电感和/或虚拟电阻，使虚拟电感减小和/或虚拟电阻增大、虚拟阻抗减小时，系统的阻尼减小，更容易发生高频谐振。

利用上文提出的测试平台，接入国内某主流光伏逆变器厂家的500kw光伏虚拟同步机控制器，在特定工况下得到的低频谐振波形分别如图4a、图4b和图5a、图5b所示。

图4a及图4b为本发明实施例在有功调频系数为9.42时得到的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统的低频谐振波形，其中，图4a所示的波形图从上至下分别为光伏虚拟同步机、电网和负荷在运行过程中的有功功率波形图，图4b为光伏虚拟同步机控制器的有功功率振荡曲线，如图所示，在第307s时该系统中的光伏虚拟同步机发生了低频谐振。

图5a及图5b为本发明实施例在惯性时间常数为3.25时得到的光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试系统的低频谐振波形，其中，图5a所示的波形图从上至下分别为光伏虚拟同步机、电网和负荷在运行过程中的有功功率波形图，图5b为光伏虚拟同步机控制的有功功率振荡曲线，如图所示，在第364s时该系统中的光伏虚拟同步机发生了低频谐振。

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光伏虚拟同步机并网稳定性硬件在环测试，与现有的采用频域小信号分析和时域仿真分析的方案相比，本发明实施例无需获取光伏虚拟同步机的详细参数，兼顾了实际存在的电网、光伏虚拟同步机集群设备和光伏虚拟同步机设备等环节，并且数字仿真模型可以根据不同光伏虚拟同步机厂家进行差异化设计，测试过程更加贴近工程实际，测试结果也更加准确，对光伏虚拟同步机并网稳定性测试具有指导意义。

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。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。