一种风电经柔直并网系统的硬件在环仿真系统构建方法及硬件在环仿真系统与流程

本发明属于电力系统，尤其涉及一种风电经柔直并网系统的硬件在环仿真系统构建方法及硬件在环仿真系统。

背景技术：

1、海上风电柔直并网系统是典型的全电力电子化电力系统，其送受端电力电子变流器的动态与暂态响应特性受控制系统时变非线性因素的影响。按照实际运行控制场景搭建真实控制模型对仿真资源需求巨大，同时受到不同厂家控保策略与参数商业保密需求的影响，基于数字建模的变流器并网特性测试难以高效地模拟真实运行工况。为此，硬件在环仿真(hardware-in-loop，hil)被提出用于对电力电子变流器的运行控制特性进行校验。

2、硬件在环仿真主要有两类：一类是真实控制器+仿真变流器，一类是数字控制器+真实变流器。前者的优点在于控制链路与真实系统保持一致，能够较好的复现实际系统动态响应特性，然而，该类方法往往忽略变流器内部开关管开断的物理过程，难以实现器件级电磁暂态分析。后者采用数字仿真模拟控制系统接入实物变流器，能够用于变流器内部谐波与应力的分析，但难以实现大规模新能源场站级建模。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种风电经柔直并网系统的硬件在环仿真系统构建方法及硬件在环仿真系统，按照真实控制器+仿真变流器思路构建硬件在环仿真平台，风力发电机、海上换流站和陆上换流站的控制系统由真实装置接入，海缆、变压器、换流阀等一次电气设备通过实时数字仿真器模拟，实现了对海上风电柔直并网系统多种控制策略动态特性的准确分析和评估，同时通过控制系统与调制系统解耦的系统构建方式实现了广适应性的附加控制策略接入与测试。

2、为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的。

3、第一方面，本发明提供一种风电经柔直并网系统的硬件在环仿真系统构建方法，包括：

4、基于实时数字仿真器的硬件，搭建上位机数字仿真模型作为仿真变流器；

5、将柔直控保、风电机组机侧与网侧控制装置作为真实控制器接入系统；所述柔直控保包括柔性直流输电系统极层控保装置和柔性直流输电系统阀控层控保装置；所述柔性直流输电系统极层控保装置用于输入控制指令，输出调制信号；所述柔性直流输电系统阀控层控保装置用于将调制信号转换为电力电子开关管的触发信号；

6、构建数字信号与模拟信号通信链路，所述数字信号与模拟信号通信链路用于实现所述仿真变流器与真实控制器之间数字量与模拟量的发送与接收。

7、进一步的，基于实时数字仿真器的硬件，搭建上位机数字仿真模型作为仿真变流器，包括：

8、在上位机数字仿真后台搭建柔直换流阀设备模型，关联数字模型或柔直用现场可编程逻辑门阵列板卡。

9、在上位机数字仿真后台搭建风力发电机转子部分、机侧变流器、网侧变流器的一次设备模型。

10、在上位机数字仿真后台搭建送端交流系统、直流输电系统、受端交流系统的一次设备模型，所述一次设备模型包括：交流开关、交流输电线、换流变压器、交流母线、直流开关、直流输电线、直流母线。

11、进一步的，构建数字信号与模拟信号通信链路，包括：

12、根据柔直与风机控制器数量与需求确定板卡数量；

13、将rtds仿真主机通过光纤与对应数量的板卡连接；

14、所述板卡包括gt系列模拟量输出板卡、数字量输入板卡、网络协议板卡、高级数据链路控制板卡、可编程逻辑门阵列板卡，

15、根据系统中柔直与风机控制器数量与需求确定板卡数量，包括：

16、gtao板卡最大支持12个模拟量输出，gtdi板卡支持最大64个数字量输出，gtnet板卡支持最大64个量通信。对于fpga-mmc板卡，每个板卡可以支持仿真含有最多为两条桥臂的mmc换流器阀模型，每个桥臂的mmc阀模型最大支持768个子模块，支持的子模块拓扑结构包括半桥、全桥、混合桥、改进的cdsm和阻尼子模块，若每条桥臂子模块数量小于96个，单个gtfpga仿真单元支持最懂为6条桥臂的mmc阀模型同时运行。

17、进一步的，接入柔性直流输电系统极层控保装置，包括：

18、对于送端或者受端柔直换流器，将网侧电压、电流信号经gt系列模拟量输出板卡由实时数字仿真器的仿真主机传输到柔直换流器输入输出装置(io装置)，经千兆光纤传输进入柔性直流输电系统极层控保装置；

19、对于其他需要交互的模拟量与数字量，通过数字化io装置使用高速串行通信协议在数字化io装置与rtds仿真主机之间传输。

20、所述其他需要交互的模拟量与数字量包括：交流侧开关变位信号、直流侧开关变为信号、交流电压、交流电流、直流电压、直流电流、控制策略投退信号、控制保护定值量以及调制信号。

21、其中调制信号对于单个mmc换流器而言包括：柔性直流输电系统极层控保装置产生的三相电压参考波六桥臂电压参考波以及六桥臂导通电平数nua、nub、nuc、nla、nlb、nlc。

22、对于从rtds仿真主机向数字化io传输的浮点型变量通过乘以放大系数k1保障传输精度，随后将其转换为16位整形数，设的数值上限与下限为与则放大系数k1的取值依据为：

23、

24、进一步的，接入柔性直流输电系统阀控层控保装置，包括：

25、对于阀控实物装置仿真，控制命令、六桥臂电压参考波经hdlc使用60044-8通信协议从实时数字仿真器的仿真主机传输至阀控保装置，上行信息经hdlc使用60044-8通信协议从阀控保装置传输至实时数字仿真器的仿真主机。

26、对于阀控模拟装置仿真，控制命令、六桥臂导通电平数通过fpga-mmc板卡互连直接通信。

27、进一步的，接入风电机组机侧与网侧控制装置，包括：

28、对于风机网侧交流电压、网侧交流电流、定子三相电压、滤波电容三相电流、机侧三相电流、网侧直流母线电压、转子角度、机侧变流器开关管触发信号、网侧变流器开关管触发信号，通过gt系列模拟量输出板卡从rtds仿真主机传输至风机变流器控制装置；

29、对于数字模型断路器控制、充电控制以及其他控制保护信号，通过数字量输入板卡从风机变流器控制装置传输至rtds仿真主机。

30、对于机侧变流器开关管触发信号、网侧变流器开关管触发信号，在数字量输入板卡的仿真主机中设置联锁逻辑保证桥臂不因硬件在环仿真链路通信干扰原因同时导通变流器任意相上下桥臂，即：任意相上桥臂导通时不允许下桥臂导通。

31、进一步的，所述构建方法还包括设置风机与柔性直流输电控制链路的附加功能模块；

32、所述风机与柔性直流输电控制链路的附加功能模块包括柔直附加控制器、机侧附加控制器与网侧附加控制器；

33、对于送端或受端柔直换流器，所述柔直附加控制器用于通过连接rtds仿真主机获取六桥臂电压调制量重新生成换流器六桥臂电压参考波为：

34、

35、并根据重新生成六桥臂导通电平数；

36、所述机侧附加控制器与网侧附加控制器用于将机侧或网侧变流器开关管触发信号解调为三相电压参考波所述机侧附加控制器与网侧附加控制器通过连接rtds仿真主机获取三相电压调制量重新调制输出变流器三相电压参考波为：

37、

38、并根据风机机侧或网侧变流器调制模式重新调制生成开关管触发信号。

39、第二方面，本发明提供一种风电经柔直并网系统的硬件在环仿真系统，包括：

40、实时数字仿真器，用于搭建上位机数字仿真模型作为仿真变流器；

41、数字信号与模拟信号通信链路，用于实现所述仿真变流器与真实控制器之间数字量与模拟量的发送与接收；

42、柔直控保，包括柔性直流输电系统极层控保装置和柔性直流输电系统阀控层控保装置；所述柔性直流输电系统极层控保装置用于输入控制指令，输出调制信号；所述柔性直流输电系统阀控层控保装置用于将调制信号转换为电力电子开关管的触发信号；

43、风电机组机侧与网侧控制装置，用于提供风电机组机侧与网侧控制信息。

44、进一步的，所述硬件在环仿真系统还包括：

45、柔直附加控制器，用于重新生成换流器六桥臂电压参考波为：

46、

47、并根据重新生成六桥臂导通电平数。

48、将重新生成的六桥臂导通电平数输出给所述柔性直流输电系统阀控层控保装置。

49、进一步的，所述硬件在环仿真系统还包括：

50、机侧附加控制器与网侧附加控制器，用于将机侧或网侧变流器开关管触发信号解调为三相电压参考波附加控制器通过数字模型搭建，或硬件装置接入rtds仿真主机，产生三相电压调制量重新调制输出变流器三相电压参考波为：

51、

52、并根据风机机侧或网侧变流器调制模式重新调制生成开关管触发信号。

53、与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

54、本发明通过风机变流器控制装置、柔直换流器控保装置、柔直换流器阀控保装置接入实时数字仿真系统，实现了风电经柔直并网系统的硬件在环仿真，相比现有纯数字仿真或动态链接库仿真方法能更真实的复现实际系统稳态、动态与暂态响应特性；

55、提出了变流器控制系统与调制环节解耦的平台化思路，相比现有其他硬件在环仿真系统能够实现自主附加控制器的自定义接入，通过控制系统与调制系统解耦的系统构建方式实现了广适应性的附加控制策略接入与测试，能更便捷高效的实现新策略开发与验证。

56、本发明基于电力电子控制器硬件在环的思路，将任意电力电子控制系统解耦为调制环节与执行环节，通过调制叠加的方式融合数字控制与半实物控制系统，实现了附加控制策略接入，相比现有纯数字仿真系统具有更为真实的动态与暂态响应特性，相比定制化的纯硬件在环仿真系统具有更高的灵活性与通用性，为风电经柔直并网系统性能测试与策略开发提供了准确分析与高效验证工具。

57、本发明的一种风电经柔直并网系统的硬件在环仿真系统构建方法及硬件在环仿真系统，按照真实控制器+仿真变流器思路构建硬件在环仿真平台，风力发电机、海上换流站和陆上换流站的控制系统(风机变流器控制装置、柔直换流器控保装置、柔直换流器阀控保装置)由真实装置接入，海缆、变压器、换流阀等一次电气设备(在环仿真测试环境)通过实时数字仿真变流器模拟，实现了对海上风电柔直并网系统多种控制策略动态特性的准确分析和评估。