双馈风电仿真系统及其电路仿真模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种双馈风电仿真系统及其电路仿真模块，属于电力【技术领域】，解决了现有的双馈风电仿真系统的仿真精度较低的技术问题。该双馈风电仿真系统的电路仿真模块，包括第一处理器和第二处理器，其中，所述第一处理器为并行处理器；所述第一处理器中模拟的模型包括电网侧变流器模型、发电机侧变流器模型、双馈电机模型和速度传感器模型。本发明可用于双馈风电仿真系统。
【专利说明】双馈风电仿真系统及其电路仿真模块
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力【技术领域】，具体地说，涉及一种双馈风电仿真系统及其电路仿真 模块。
【背景技术】
[0002] 交流励磁双馈感应电机的变速恒频风力发电系统（简称双馈风电系统）具有成本 低、体积小、功率损耗低等优点，因此已被十分广泛的应用。但是，双馈风电系统面对电网的 特殊工况时，比如电压跌落、恢复等，电机的电流、磁通等参数都会大范围快速变化，暂态过 程极其复杂，对双馈风电系统的变流环节的性能将形成严峻考验。为了保证风力发电系统 安全可靠，双馈风电系统的变流控制器的开发必须基于严格的试验基础，然而由于双馈风 电系统实际运行环境的特殊性与复杂性，所以其现场调试与试验成本很高，且试验周期长。 因此，建立双馈风电仿真系统，可为双馈风电系统的变流器产品的分析、设计和改进提供有 效的帮助和依据。
[0003] 如图1所示，双馈风电系统的变流电路主要包括电网、电网侧输出、电网侧变流 器、直流环节、发电机侧变流器、有源撬棒电路（Crowbar)、双馈电机、速度传感器和风机负 载。在双馈风电半实物仿真系统中，要利用处理器将上述各部分分别建立数学模型。但是， 现有的双馈风电半实物仿真系统中，处理器的处理速度较低，解算步长较长，一般都在25 微秒以上，导致仿真过程中的运算延时较长，降低了整个双馈风电仿真系统的仿真精度。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种双馈风电仿真系统及其电路仿真模块，以解决现有的 双馈风电仿真系统的仿真精度较低的技术问题。
[0005] 本发明提供一种双馈风电仿真系统的电路仿真模块，包括第一处理器和第二处理 器，其中，所述第一处理器为并行处理器；
[0006] 所述第一处理器中模拟的模型包括电网侧变流器模型、发电机侧变流器模型、双 馈电机模型和速度传感器模型。
[0007] 优选的，所述并行处理器为FPGA。
[0008] 进一步，所述第二处理器中模拟的模型包括电网模型和风机负载模型。
[0009] 在第一种实现方式中，所述第二处理器中模拟的模型还包括电网侧输出模型、直 流环节模型和有源Crowbar模型。
[0010] 在第二种实现方式中，所述第一处理器中模拟的模型还包括有源Crowbar模型； [0011] 所述第二处理器中模拟的模型还包括电网侧输出模型和直流环节模型。
[0012] 在第三种实现方式中，所述第一处理器中模拟的模型还包括直流环节模型和有源 Crowbar 模型；
[0013] 所述第二处理器中模拟的模型还包括电网侧输出模型。
[0014] 在第四种实现方式中，所述第一处理器中模拟的模型还包括电网侧输出模型、直 流环节模型和有源Crowbar模型。
[0015] 优选的，所述第二处理器为串行处理器或并行处理器。
[0016] 本发明还提供一种双馈风电仿真系统，包括实物控制器、输入输出转换模块和上 述的电路仿真模块。
[0017] 本发明带来了以下有益效果：本发明提供的双馈风电仿真系统的电路仿真模块 中，利用处理速度更高的并行处理器作为第一处理器，来模拟对运算延时要求较高的电网 侧变流器模型、发电机侧变流器模型、双馈电机模型和速度传感器模型等模型，以缩短仿真 过程中的运算延时，从而提高了双馈风电仿真系统的仿真精度。
[0018] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利 要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 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的 附图做简单的介绍：
[0020] 图1是双馈风电系统的变流电路的示意图；
[0021] 图2是本发明实施例一提供的双馈风电仿真系统的电路仿真模块的示意图；
[0022] 图3是本发明实施例一提供的双馈风电仿真系统的示意图；
[0023] 图4是本发明实施例二提供的双馈风电仿真系统的示意图；
[0024] 图5是本发明实施例三提供的双馈风电仿真系统的示意图；
[0025] 图6是本发明实施例四提供的双馈风电仿真系统的示意图。
【具体实施方式】
[0026] 以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0027] 实施例一:
[0028] 如图2所示，本发明实施例提供一种双馈风电仿真系统的电路仿真模块，具体为 包括第一处理器11和第二处理器12的电路板。其中，第一处理器11为并行处理器，优选 为现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,简称FPGA);第二处理器12为串 行处理器。
[0029] 本实施例中，第一处理器11中模拟的模型包括电网侧变流器模型、发电机侧变流 器模型、双馈电机模型和速度传感器模型（参照图1)。其中，电网侧变流器模型中包括滤波 电感L1的模型；双馈电机模型中包括定子接触器Q2的模型。
[0030] 第二处理器12中模拟的模型包括电网模型、电网侧输出模型、直流环节模型、有 源Crowbar模型和风机负载模型（参照图1)。其中，电网模型中包含电压突变（由于各种故 障引起的电压跌落或电压突然升高等）、谐波、频率异常等各种电网特殊工况的模拟功能； 电网侧输出模型中包括滤波电容C1、主断路器Q1和电网侧接触器K的模型；直流环节模型 中包括直流支撑电容C、预充电回路和直流斩波回路的模型。
[0031] 如图3所示，本发明实施例进一步还提供一种双馈风电仿真系统，包括上述电路 仿真模块10,以及输入输出转换模块20和实物控制器30。
[0032] 电路仿真模块10中的第一处理器11和第二处理器12可通过外围高速 (Peripheral High Speed，简称PHS)总线或其他线缆连接输入输出转换模块20,输入输出 转换模块20可通过光纤、以太网等方式连接实物控制器30,实物控制器30用于控制实体的 双馈电机、变流电路等设备。
[0033] 双馈风电仿真系统主要针对双馈风电控制器产品构建，采用硬件在回路的半实物 仿真方式。顾名思义半实物仿真就是指在仿真系统中一部分为实物，一部分为虚拟仿真对 象，是所有仿真中置信度最高的一种仿真方法。而硬件在回路又是半实物仿真的一种方式， 即控制器为实物，被控对象为虚拟对象，这种方式主要用于控制器软件硬件设计和测试，是 一种节约试验成本和缩短开发周期的方式。本发明实施例中变流电路采用虚拟的电路仿真 模型10,运行于实时仿真单元中，用来模拟双馈风电的变流电路。实物控制器30采用真实 的双馈风电变流控制器，其核心任务是根据指令完成实时控制。电路仿真模型10与实物控 制器30之间通过采用输入输出转换模块20实现数据的实时交互。对其进行系统调试，实 现被控对象与实物控制器的闭环运行。
[0034] 该双馈风电仿真系统的工作过程为：
[0035] 第二处理器12读入第一处理器11的输出信号，并通过输入输出转换模块20读入 实物控制器30的控制信号，作为第二处理器12的输入，根据各部分的模型计算得到第二处 理器12板的输出，将输出量通过输入输出转换模块20发送至实物控制器30。第一处理器 11读入第二处理器12的输出信号，并通过输入输出转换模块20读入实物控制器30的控制 信号，作为第一处理器11的输入，根据各部分的模型计算得到第一处理器11的输出，将输 出量通过输入输出转换模块20送给实物控制器30,从而实现硬件在回路闭环的验证。
[0036] 本发明实施例提供的双馈风电仿真系统及其电路仿真模块中，利用处理速度更高 的并行处理器作为第一处理器11，来模拟对运算延时要求较高的电网侧变流器模型、发电 机侧变流器模型、双馈电机模型和速度传感器模型等模型，其解算步长能够达到10纳秒级 另|J，以缩短仿真过程中的运算延时，从而提高了双馈风电仿真系统的仿真精度，使双馈风电 仿真系统能够准确的验证实物控制器。
[0037] 另一方面，风机负载模型属于机械模型，其参数通常不会发生突变，所以其数据交 互对处理速度的要求较低，对运算延时的要求也较低。另外，电网模型的拓扑结构具有多变 性，所以对建模的灵活性要求较高。因此，本实施例中的第二处理器12采用串行处理器，其 处理速度相对较低，但程序复杂度也较低，编程更为灵活，可用于模拟风机负载模型、电网 模型，以及电网侧输出模型、直流环节模型和有源Crowbar模型。
[0038] 因此，本发明实施例提供的双馈风电仿真系统中，采用并行处理器和串行处理器 相结合的方式来模拟电路仿真模块，以平衡整个仿真系统的程序复杂度和仿真精度，从而 既能够提高整个系统的仿真精度，又不会使得程序的复杂度过高而导致仿真系统的可用性 差。
[0039] 实施例二:
[0040] 本实施例与实施例一基本相同，其不同点在于，如图4所不，本实施例中，有源 Crowbar模型在第一处理器11 (并行处理器）中模拟，而不在第二处理器12 (串行处理器） 中模拟。
[0041] 本实施例中，利用并行处理器模拟有源Crowbar模型，从而使有源Crowbar模型也 能够达到更高的处理速度，以降低其运算延时，从而提高双馈风电仿真系统的仿真精度。
[0042] 实施例三:
[0043] 本实施例与实施例一基本相同，其不同点在于，如图5所不，本实施例中，有源 Crowbar模型和直流环节模型在第一处理器11 (并行处理器）中模拟，而不在第二处理器 12 (串行处理器）中模拟。
[0044] 本实施例中，利用并行处理器模拟有源Crowbar模型和直流环节模型，从而使有 源Crowbar模型和直流环节模型也能够达到更高的处理速度，以降低其运算延时，从而提 高双馈风电仿真系统的仿真精度。
[0045] 实施例四：
[0046] 本实施例与实施例一基本相同，其不同点在于，如图6所不，本实施例中，有源 Crowbar模型、电网侧输出模型和直流环节模型在第一处理器11 (并行处理器）中模拟，而 不在第二处理器12 (串行处理器）中模拟。
[0047] 本实施例中，利用并行处理器模拟有源Crowbar模型、电网侧输出模型和直流环 节模型，从而使有源Crowbar模型、电网侧输出模型和直流环节模型也能够达到更高的处 理速度，以降低其运算延时，从而提高双馈风电仿真系统的仿真精度。
[0048] 应当说明的是，上述各实施例中的第二处理器均采用串行处理器，用于模拟风机 负载模型、电网模型等。在其他实施方式中，第二处理器也可以采用并行处理器，使风机负 载模型、电网模型等模型也能够达到更高的处理速度，以降低其运算延时。
[0049] 虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采 用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属【技术领域】内的技术人员，在不脱离本 发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化， 但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
【权利要求】
1. 一种双馈风电仿真系统的电路仿真模块，其特征在于，包括第一处理器和第二处理 器，其中，所述第一处理器为并行处理器； 所述第一处理器中模拟的模型包括电网侧变流器模型、发电机侧变流器模型、双馈电 机模型和速度传感器模型。
2. 如权利要求1所述的电路仿真模块，其特征在于，所述并行处理器为FPGA。
3. 如权利要求1所述的电路仿真模块，其特征在于，所述第二处理器中模拟的模型包 括电网模型和风机负载模型。
4. 如权利要求1所述的电路仿真模块，其特征在于，所述第二处理器中模拟的模型还 包括电网侧输出模型、直流环节模型和有源Crowbar模型。
5. 如权利要求1所述的电路仿真模块，其特征在于，所述第一处理器中模拟的模型还 包括有源Crowbar模型； 所述第二处理器中模拟的模型还包括电网侧输出模型和直流环节模型。
6. 如权利要求1所述的电路仿真模块，其特征在于，所述第一处理器中模拟的模型还 包括直流环节模型和有源Crowbar模型； 所述第二处理器中模拟的模型还包括电网侧输出模型。
7. 如权利要求1所述的电路仿真模块，其特征在于，所述第一处理器中模拟的模型还 包括电网侧输出模型、直流环节模型和有源Crowbar模型。
8. 如权利要求1所述的电路仿真模块，其特征在于，所述第二处理器为串行处理器或 并行处理器。
9. 一种双馈风电仿真系统，其特征在于，包括实物控制器、输入输出转换模块和如权利 要求1至8任一项所述的电路仿真模块。
【文档编号】G06Q50/06GK104123172SQ201410341392
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】张宇, 王坚, 谭娟, 许为, 徐立恩, 张 杰, 应婷, 李江红, 陈柳松 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司