基于rt-lab的风电场无功电压控制仿真分析

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申请上海交通大学工学硕士学位论文基于RT-LAB的风电场无功电压控制仿真分析学校：上海交通大学院系：电子信息与电气工程学院学科专业：电气工程作者姓名：董建政导师姓名：蔡旭教授上海交通大学电子信息与电气工程学院2015年2月本研究得到国家863“电网友好型新能源发电关键技术及示范应用”项目资助（项目编号：2012AA050203） AThesisSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterSIMULATIONANALYSISOFREACTIVEPOWER/VOLTAGECONTROLOFAWINDFARMBASEDONRT-LABAuthor:DongJianzhengSpecialty:ElectricalEngineeringAdvisor:ProfessorCaiXuSchoolofElectronicsInformationandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityShanghai,P.R.ChinaFebruary,2015 上海交通大学工学硕士学位论文摘要基于RT-LAB的风电场无功电压控制仿真分析摘要将实时仿真技术引入风力发电研究领域，建立一个风电场实时仿真平台，可以进行各种控制策略的快速验证和多种控制设备的硬件在环测试。本文以风电机组和风电场的数学模型为基础，设计和实现了基于RT-LAB的风电场实时仿真平台，以该平台为工具对风电场无功电压控制策略进行了仿真和分析。1.建立了包含风力机、传动链、发电机、变换器、变桨系统及Crowbar保护电路的风电机组的动态数学模型；研究了风电机组在最大功率跟踪控制、有功无功指令控制、并网解列等典型工况下的控制策略；建立了基于ARMA模型并考虑尾流效应、时滞效应的多机风速数学模型，以及包含静止无功发生器SVG的风电场模型。2.设计和实现了风电场实时仿真平台，包括总体设计规划、平台组成、数据通信系统和人机交互界面以及虚拟风电场的仿真模型。最后对单个风电机组进行了全工况仿真，对风电场进行最大功率跟踪控制和有功指令控制仿真，结果表明所建立的风电机组模型能反映机组动态特性，所建立的风电场模型能满足风电场功率控制的要求。3.研究了风电场强连接、弱连接到电网的电压波动情况，研究并设计了基于SVG的并网点电压控制和基于风电机组无功调节能力的并网点电压控制。仿真分析表明基于SVG的并网点电压控制、基于风电机组的并网点电压控制都能将并网点电压基本控制在合理运行区间内，具有良好的控制效果。关键词：实时仿真，RT-LAB，双馈风电机组，并网，解列，风速模型，风电场仿真平台，电压控制第I页 上海交通大学工学硕士学位论文摘要SIMULATIONANALYSISOFREACTIVEPOWER/VOLTAGECONTROLOFAWINDFARMBASEDONRT-LABABSTRACTControlstrategiescouldbeverifiedandcontrollerscouldbetestedwithhardware-in-the-loopifreal-timesimulationtechnologyisbroughtintowindpowerresearchfieldandareal-timesimulationplatformofwindfarmsisbuiltup.ThewindfarmsimulationplatformisdesignedandestablishedwithRT-LABbasedonthemathematicalmodelofwindturbinesandwindfarms.Reactivepower/voltagecontrolstrategiesofawindfarmareimplementedontheplatform.1.Thedynamicmathematicmodelofawindturbineisestablished,includingturbine,drivetrain,generator,converter,pitchsystemandcrowbar.ControlstrategiesoftypicaloperatingconditionssuchasMPPT,dispatching,grid-connectionandcutting-offareproposed.AmathematicalmodelofwindspeedbasedonARMA,whichtakingwakeeffectandtime-lageffectintoaccount,andawindfarmmodelwithSVGarealsoestablished.2.Awindfarmsimulationplatformisdesignedandimplemented,includinggeneralplan,components,communicationsystem,userinterfaceandwindfarmsimulationmodels.Thenasinglewindturbineandawholewindfarmaresimulated.Theresultsshowthatthewindfarmmodelisqualifiedtoimplementpowercontrolsimulation.第II页 上海交通大学工学硕士学位论文摘要3.Thevoltageprofileofawindfarmstronglyorweaklyconnectedintopowergridisstudied.Controlstrategiesofvoltageatgrid-connectedpointbasedonSVGorDFIGaredesignedandsimulated.Theresultsshowthatvoltageatgrid-connectedpointmaintainswithinareasonablerangeunderdesignedcontrolstrategies.KEYWORDS:real-timesimulation,RT-LAB,doublyfedinductiongenerator(DFIG),grid-connection,cutting-off,windspeedmodel,windfarmsimulationplatform,voltagecontrol第III页 上海交通大学工学硕士学位论文目录目录摘要............................................................................................................................IABSTRACT................................................................................................................II第1章绪论.................................................................................................................11.1课题背景.........................................................................................................11.1.1模型研究...............................................................................................11.1.2系统仿真...............................................................................................21.1.3实时仿真...............................................................................................21.2电力系统实时仿真研究现状.........................................................................41.3国内外风电场无功电压控制研究综述.........................................................61.3.1风电场并网电压问题...........................................................................61.3.2风电机组无功调节能力.......................................................................71.3.3风电场无功补偿...................................................................................71.3.4风电场无功电压协调控制...................................................................71.4本文主要研究内容和结构安排.....................................................................8第2章风电机组及风电场的结构与数学模型........................................................112.1风电机组的模型............................................................................................112.1.1风电机组的结构及工作原理..............................................................112.1.2风电机组的数学模型..........................................................................112.1.2.1风力机的数学模型.....................................................................112.1.2.2传动链的数学模型.....................................................................122.1.2.3发电机的数学模型.....................................................................132.1.2.4变换器的数学模型.....................................................................142.1.2.5变桨系统的数学模型.................................................................162.1.2.6Crowbar的数学模型..................................................................162.2风电机组在典型工况下的控制策略...........................................................172.2.1最大功率跟踪控制.............................................................................172.2.2有功无功指令控制.............................................................................172.2.3并网解列控制.....................................................................................172.3风电场的模型...............................................................................................182.3.1风电场的组成及拓扑结构.................................................................182.3.1.1风电场升压站电气主接线.........................................................182.3.1.2风电场集电线路电气主接线.....................................................192.3.2风电场SVG的数学模型...................................................................202.3.3风速模型.............................................................................................222.3.3.1ARMA模型及其参数估计........................................................232.3.3.2单机风速.....................................................................................242.3.3.3多机风速.....................................................................................272.4本章小结.......................................................................................................29第IV页 上海交通大学工学硕士学位论文目录第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现..............................313.1RT-LAB实时仿真系统介绍.........................................................................313.1.1实时仿真中的时间概念.....................................................................313.1.2实时仿真算法的选择.........................................................................323.1.3多帧速算法.........................................................................................333.1.3.1刚性系统.....................................................................................333.1.3.2多帧速并行算法.........................................................................343.1.4OP5600实时仿真计算机....................................................................363.1.5RT-LAB实时仿真软件.......................................................................393.2风电场实时仿真平台的设计与实现...........................................................403.2.1总体设计.............................................................................................403.2.2风电场实时仿真平台的组成.............................................................423.2.3风电场实时仿真平台的数据通信.....................................................443.2.4风电场实时仿真平台的人机交互界面.............................................463.2.5虚拟风电场仿真模型.........................................................................473.3风电场模型的仿真验证...............................................................................493.3.1风电机组的全工况仿真.....................................................................493.3.2风电场的运行仿真.............................................................................523.3.2.1最大功率跟踪控制.....................................................................523.3.2.2有功指令控制.............................................................................533.4本章小结.......................................................................................................53第4章风电场无功电压控制仿真分析...................................................................554.1风电场电压波动特性分析...........................................................................554.1.1风电场强连接到电网.........................................................................564.1.2风电场弱连接到电网.........................................................................584.2基于SVG的并网点电压控制.....................................................................634.2.1控制策略.............................................................................................634.2.2仿真分析.............................................................................................644.3基于风电机组无功调节能力的并网点电压控制.......................................664.3.1控制策略.............................................................................................664.3.2仿真分析.............................................................................................674.4本章小结.......................................................................................................71第5章总结与展望...................................................................................................735.1总结...............................................................................................................735.2展望...............................................................................................................73参考文献.....................................................................................................................75附录.........................................................................................................................79致谢.........................................................................................................................81攻读硕士学位期间已发表或录用的论文.................................................................83第V页 上海交通大学工学硕士学位论文图片目录图片目录图1-1硬件在环仿真和快速控制原型仿真......................................................4图2-1双馈风电机组结构图.............................................................................11图2-2转子侧变换器控制策略........................................................................16图2-3变桨控制策略........................................................................................16图2-4风电场升压站电气主接线....................................................................19图2-5集电线路连接方式一............................................................................20图2-6集电线路连接方式二............................................................................20图2-7SVG原理图..........................................................................................20图2-8SVG控制策略......................................................................................22图2-9线性滤波器法........................................................................................23图2-10v变化时风速时间序列.....................................................................26z图2-11z变化时风速时间序列.....................................................................270图2-12z变化时风速时间序列......................................................................27图2-13Jensen风速模型..................................................................................28图2-14Y方向风速场......................................................................................28图2-15X方向风速场......................................................................................29图3-1简单的硬件在环系统............................................................................33图3-2多帧速并行算法....................................................................................36图3-3OP5600实时仿真计算机.....................................................................37图3-4OP5600硬件架构.................................................................................38图3-5RT-LAB实时仿真软件模块.................................................................40图3-6风电场实时仿真系统组成....................................................................41图3-7风电机组控制器硬件在环....................................................................42图3-8风电场实时仿真平台的硬件架构........................................................43图3-9风电场实时仿真平台照片....................................................................44图3-10风电场实时仿真平台的通信架构......................................................45第VI页 上海交通大学工学硕士学位论文图片目录图3-11RT-LAB人机交互界面.......................................................................46图3-12SCADA人机交互界面.......................................................................47图3-13双馈风电机组仿真模型......................................................................48图3-14集电线路仿真模型..............................................................................49图3-15风电场仿真模型..................................................................................49图3-16全工况..................................................................................................50图3-17并网......................................................................................................51图3-18低电压穿越..........................................................................................51图3-19指令控制..............................................................................................51图3-20解列......................................................................................................51图3-21按最大功率跟踪控制发电..................................................................52图3-22按调度指令发电..................................................................................53图4-1风电场等值电路....................................................................................56图4-2J1机组风速和功率(10m/s平均风速)..................................................60图4-3主要节点电压值(10m/s平均风速)......................................................60图4-4并网点电压和功率(10m/s平均风速)..................................................61图4-5J1机组风速和功率(12m/s平均风速)..................................................62图4-6主要节点电压值(12m/s平均风速)......................................................62图4-7并网点电压和功率(12m/s平均风速)..................................................62图4-8基于SVG的并网点电压控制..............................................................63图4-9J1机组风速和功率(SVG控制)...........................................................64图4-10主要节点电压值(SVG控制)..............................................................65图4-11并网点电压和功率(SVG控制)..........................................................65图4-12电压与无功参考值(SVG控制)..........................................................65图4-13基于DFIG的并网点电压控制..........................................................67图4-14J1机组风速和功率(DFIG控制)........................................................68图4-15主要节点电压值(DFIG控制).............................................................68图4-16并网点电压和功率(DFIG控制).........................................................68图4-17电压与无功参考值(DFIG控制).........................................................69第VII页 上海交通大学工学硕士学位论文图片目录图4-18总的无功参考值与J1机组无功功率................................................69图4-19并网点电压比较..................................................................................70图4-20并网点无功功率比较..........................................................................70图4-21并网点功率因数比较..........................................................................70第VIII页 上海交通大学工学硕士学位论文表格目录表格目录表2-1不同区域的粗糙长度............................................................................25表2-2不同条件下ARMA模型参数..............................................................26表3-1Spartan3和Virtex6的比较................................................................38表4-1风电场强连接到电网的电压情况........................................................57表4-2风电场弱连接到电网的电压情况........................................................58第IX页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论第1章绪论1.1课题背景1.1.1模型研究科学实验是人们把握客观规律、认识自然现象的重要手段。我们通常把作用于实际物理对象上的实验称为实物实验。十六世纪伽利略在比萨斜塔上做的“两个铁球同时落地”实验，以及十七世纪马德堡市市长为证明大气压的存在而进行的“马德堡半球”实验，都是著名的实物实验。随着科技发展，研究对象变得愈发复杂。我们希望能在复杂系统着手建造之前，通过某种方法提前对其进行研究，以充分了解它的行为模式和运行特性。通过改进其控制策略，改良其组成结构，可以降低该系统的建造成本，缩短建设周期，提高系统运行性能。如特高压直流输电这样的大型系统工程，必须在开工建设前反复论证，对将要实施的控制策略及系统组成进行充分测试。对于一些已经存在的复杂系统，如电力系统、化工生产系统，若直接在实际系统上进行实验，会有巨大的安全风险，可能影响到国民生产生活。而通过构造系统模型替代实际系统，科研人员可以在模型上进行实验，在不破坏实际系统正常运行的前提下，研究该系统的运行特性，验证控制策略，测试控制设备。模型是对实际系统的抽象，是人们对客观实体运行规律的主观认识。从信息论和集合论的角度出发，可以将实际的物理系统看成是各种信息的全集，而针对该系统所建的模型就是属于这个全集的不同类型的子集。以风电机组为例，它既包含电压、电流、功率等电学信息，温度、比热容等热学信息，转动惯量、应力等力学信息，也包含分子结构等材料学信息。根据研究问题的不同，我们将会对这些信息进行取舍，抓住主要部分，忽略次要部分，选取其中的部分子集作为我们的研究对象，建立相应的模型。对电力领域的研究者而言，关注点主要集中在风电机组的电气信息上，所以会大大简化力学信息，而完全忽略热学、材料学等信息的建模。[1]模型具有以下特性：1）同一个系统根据不同的研究侧重点可以选择不同的信息子集，形成不同的模型结构；2）同一个模型可以应用于多个不同的系统。比如同一个数学方程可以描述多种物理现象，自回归滑动平均模型ARMA既可以应用于金融领域建模又可以用来研究风速模型；3）模型只具有相对的精确性。所有的模型都是对实际系统的近似，不可能第1页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论完全复现实际系统的所有信息。模型的近似度和精确性只要能满足研究要求就应该视为可以接受。如果模型过于简化，就会严重偏离实际系统变得毫无用处；模型太过复杂，又会对建模及模型分析运用造成巨大困难；4）模型要有可信性。模型需要经过检验和确认，使其在一定置信度内成为实际系统的代表。1.1.2系统仿真人们对客观世界的认识随着科学技术的发展而不断深入，采用的模型工具也变得日益完善。在古代中国，工匠们通过构造建筑物的等比例缩小模型，研究建筑物的结构，帮助指导实际工程的建造。这种模型称为实体模型。我们所接触到的飞机模型、汽车模型、舰艇模型都属于这一类。在近代西方，随着数学理论的不断发展，特别是微积分理论的逐步完善，人们对自然规律的把握愈发准确，其中的典型代表就是牛顿利用微积分方程建立了天体运行的模型。通过对实际系统的数学抽象，运用数学模型研究事物发展的规律，我们不但能对该系统的行为作出合理解释，还能对系统的未来作出预测，并通过可靠的分析计算，改善系统的运行性能。[2]数学模型就是用数学方程描述系统状态变量相互关系的一种模型。抓住主要部分，忽略次要部分，对被研究系统进行抽象，可以用数学方程描述系统的行为和特征。基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律、欧姆定律用简单的代数方程描述了一个理想电路的电压、电流关系；电感、电容的电压电流关系则可以用一组微积分方程来描述。数学模型的本质目的是为了明确模型各状态量之间的相互关系，增强系统的可理解性，可预测性。从仿真的角度出发，完整的系统建模应该包括数学建模和仿真建模两大部分。上个世纪40年代以来，半导体技术及计算机技术的迅猛发展，为面向大型复杂系统的数学建模研究提供了强有力的工具。通过运用高级编程语言，选择合适的计算算法，可以将数学模型转化为计算机可以识别、可以执行的仿真模型，将工程人员从复杂的数学解算过程中脱离出来，利用计算机产生直观的运算结果，能让科研人员将主要精力投入到系统设计及测试验证中去。系统仿真是一门以相似理论、模型理论、信息技术和仿真应用领域的专业知识为基础，以仿真计算机和仿真软件为工具，利用模型对系统进行研究的交[3]叉学科。它的核心内容是仿真系统的开发和系统模型的建立、验证、分析、评估。在工业化社会向信息化社会转型过程中，系统仿真为人类认识世界与改造世界提供了全新的方法和手段，与理论分析和实验研究并列为三大研究方法。1.1.3实时仿真一台仿真计算机的计算资源总是有限的。如果研究对象的数学模型比较复第2页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论杂，数学方程阶数比较高，则其仿真所耗费的实际时间将比仿真设定的时间长，比如设定仿真时间为1分钟，实际上1小时才能运行结束；反之，如果研究对象的数学模型比较简单，数学方程阶数比较低，则其仿真所耗费的实际时间将比仿真设定的时间短，比如设定仿真时间为1分钟，实际上1秒钟就运行结束了。对于一些实际工程应用和科学研究，我们希望仿真所耗费的实际时间与仿真时间能严格同步，或者说时间比例尺一致，这样的仿真称为实时仿真。更为严格的实时仿真定义将在第3.1.1节中给出。实时仿真技术的发展与国防科技的需求密不可分。事实上，在各种各样的需求中，国防科技的需求始终是最迫切，优先等级是最高的。因为军事力量关乎一个民族、一个国家的生死存亡。政府和军事决策者，为了保持自己在力量对抗中的优势地位，会不惜代价研究最新的科学技术，并将其应用于武器和军事装备领域。1946年，美国宾夕法尼亚大学诞生了第一台现代意义上的电子计算机，ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator，缩写为ENIAC。这台计算机就是美国军方为了军事需要而立项开发的。当时军方为了给军械试验提供精确而及时的弹道火力表，需要高速可靠的电子计算设备。宾夕法尼亚大学莫尔电机学院承接了此项科研任务，在军方的大力支持下，历时三年，耗巨资研制出[4]ENIAC。二战结束后，为了保持在军事上的领先地位，主要大国开始重视仿真技术的运用，不断增加研发投入，形成仿真学科体系。实时仿真技术也逐渐从军事应用领域，逐步向外围扩散，应用到汽车、飞机、船舶、电力等领域。实时仿真技术的演变与信息技术和计算机技术的发展密切相关，经历了三次大的变革，从模拟实时仿真，到混合实时仿真，最终到数字实时仿真。20世纪70年代以后，微电子技术迅速发展，促成了数字仿真计算机的崛起。80年代，并行计算技术、多媒体技术、分布式仿真技术、虚拟现实技术的兴起，进一步推动了实时仿真技术的发展。实时仿真技术有两种典型应用，如图1-1，一种是快速控制原型仿真（rapidcontrolprototyping，缩写为RCP），另一种是硬件在环仿真（hardware-in[5]-the-loop，缩写为HIL）。快速控制原型仿真系统是由虚拟的控制器和真实的被控对象组成，其中虚拟的控制器就是实时运行在仿真计算机上的控制模型，真实的被控对象可以是电机、变换器等。快速控制原型仿真常用于控制系统的开发。采用快速控制原型仿真技术，可以提前验证控制策略，以很小的代价进行反复迭代修改，缩短研发周期，降低生产成本。硬件在环仿真正好相反，硬件在环仿真系统是由真实的控制器和虚拟的被控对象组成，其中被控对象是实时运行在仿真计算机上的模型，而控制器则是第3页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论诸如DSP、PLC这样的真实控制器。硬件在环仿真常用于控制器的产品测试。[6]经过硬件在环测试后，控制器就可以拿到工业现场进行现场测试。快速控制原型硬件在环IOIO图1-1硬件在环仿真和快速控制原型仿真Fig.1-1HILandRCPSimulation由于风能具有随机性、间歇性，大规模风力发电集中并网、远距离输送，出现了一系列的功率、频率、电压问题，亟需电力领域的专家学者设法解决。直接在真实的并网风电场中进行各种控制策略、控制算法的试验，置信度固然是最高的，但危险系数大，代价过于高昂。而采用完全离线仿真的方式，不仅置信度比较低，也无法对控制器进行充分测试。最现实的解决方案，就是将实时仿真技术引入风力发电研究领域，建立一个风电场实时仿真平台，以实时运行的具有一定置信度的风电场模型为基础，进行各种控制策略的快速验证和多种控制设备的硬件在环测试。1.2电力系统实时仿真研究现状电力系统是一个极为庞大、十分复杂的动力系统。它既包括发电机、变压器、线路等一次设备，也包括继电保护装置、安全自动装置等二次设备。要了解电力系统的运行特性，需要进行大量的试验研究。由于电力系统的安全稳定运行关乎国计民生，直接在实际电力系统上进行试验，将会面临巨大的风险和高昂的代价。而仿真试验不会影响到实际电力系统的安全运行，又能在一定程度上反映电力系统运行的特征，所以仿真试验在电力系统研究中得到了广泛应用。根据仿真的载体是实际物理设备还是数字仿真计算机，又可以将电力系统仿真分为物理仿真（也称为动态模拟仿真）、数字物理混合仿真、全数字仿真三[7]大类。物理仿真依据相似原理，将实际的电气设备按一定的尺寸比例、电气第4页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论比例进行缩小，组成实际电力系统的低电压、小功率的模型。利用该模型对电力系统的电磁暂态、机电暂态等问题进行研究。物理仿真置信度高，但投资较大，建设周期长，扩展性很差。全数字仿真对计算资源要求不高，费用较低，灵活性好，在电力系统教学科研中得到了广泛应用，但全数字仿真置信度比较低。数字物理混合仿真采用实时仿真技术，通过数字模拟输入输出接口及功率放大器与外部物理设备相连，可以兼顾物理仿真和全数字仿真的优点。数字物理混合仿真能够提高电力系统仿真的效率，支持更大规模更为复杂的电力系统模型，同时具备良好的置信度。国外实时仿真系统，如加拿大Manitoba高压直流研究中心的RTDS、TEQSIM公司的HYPERSIM、Opal-RT公司的RT-LAB等，占据了国内电力系统实时仿真市场的大部分份额。为改变这种情况，中国电科院从2000年开始，着力开发适用于大规模电力系统仿真的实时仿真装置。耗时六年，于2006年研制成功可模拟大规模电力系统（1000台发电机，10000条母线仿真规模）的实时数字仿真装置ADPSS，为我国填补了该项领域的空白。电力系统实时仿真研究主[8]要是利用这些仿真设备进行本专业领域的研究，主要集中在以下几个方面：1）电力系统事故分析。包括电网失稳事故和电网振荡事故的重现，利用实时仿真技术分析事故发生的原因，并找出相应的解决措施。江苏省电力试验研究院利用ADPSS，模拟了沙河抽水蓄能电站在电网发生单相接地故障后，由于[9]大幅度功率振荡引发保护动作、机组跳闸的过程，重现了电网振荡事故。2）继电保护装置和安全自动装置的试验研究。文献[10]介绍了葛洲坝至上海直流输电工程控制保护装置的实时仿真试验过程及结果，并与动态模拟实验进行比较，验证了实时仿真的正确性。文献[11]介绍了基于DDRTS实时仿真平台的数字化变电站继电保护测试方案，为全数字保护及二次装置的试验研究提供了全新的技术路线。3）FACTS和直流输电系统的仿真及其控制装置的试验研究。伴随着柔性交流输电、超高压直流输电以及新能源的大规模并网，大量电力电子设备参与到电力系统的运行中来。在这些设备实际投运之前，需要对相应的控制设备和控制策略进行充分测试和验证，而离线分析计算无法满足这一要求，所以需要实时仿真技术的参与。文献[12]中国电科院以华东地区直流输电系统为研究对象，建立了数字物理混合实时仿真平台，该平台包括16回直流输电线路的电力系统模型，其中2回为物理实物动态模拟仿真。文献[13-16]开展了特高压交直流电网的实时仿真研究，建立了数字物理混合仿真平台，准确模拟了交直流系统之间的相互影响情况。文献[17]基于RTDS仿真平台对柔性交流输电系统进行了机电电磁暂态混合实时仿真。4）动态安全分析和监控系统仿真平台。文献[18]提出了电力系统实时仿真第5页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论决策系统的设计原则及体系架构。文献[19-20]设计和实现了基于RTDS实时仿真系统的安全稳定控制研究平台，可满足电网各种稳定控制技术的试验要求，并开展了云南电网小水电群广域振荡解列控制等试验。此外，电力系统实时仿真研究还包括励磁系统仿真和励磁装置的试验研究，电网规划和运行研究，在线分析计算研究等。1.3国内外风电场无功电压控制研究综述随着电力电子器件、风机叶片等风电机组构件成本的不断降低，以及风力发电产业链的逐渐发展壮大，规模化生产的风电机组成本显著下降，风力发电的上网电价已经可以与火电展开竞争。在经济利益、社会效益和环境效益的多重驱使下，风力发电在世界各国得到了迅猛的发展。从最初的小规模、分散式接入，到如今大规模集中并网、远距离输送，风力发电对电网的影响已经不容忽视。其中，风力发电并网系统无功电压问题得到了国内外学者的广泛关注。1.3.1风电场并网电压问题1）静态电压稳定问题：风力资源丰富的地区常常远离负荷中心，所以风电场发出的有功功率需要经过高电压远距离输送，供给用户使用。由于风能具有随机性、波动性和间歇性，风电功率的快速变化将会导致线路充电功率和电网电压[21]的波动，电网必须具备充足的感性、容性无功调节能力才能应对这一挑战。如果风电场接入的电网足够强大，电压波动比较小。如果风电场位于电网末梢，[22-23]接入的电网比较弱，电压波动就比较大，可能影响到风电机组的正常工作。风电场出力较大时，线路压降和无功损耗也比较大，可能会造成局部电网无功容量不足，导致电压稳定性降低。风电场对电网电压质量及稳定性的影响与并网容[24]量、机组类型、送出线路长度、电网强弱、无功补偿情况有关，需要具体分析。2）暂态电压稳定问题：风电场接入的电网发生故障时（比如风电场馈线电[25]缆头击穿，导致接地短路或者相间短路），不具备低电压穿越能力的风电机组[26-28]保护动作于断路器跳闸，造成大量风电机组脱网事故。在故障过程中，风电场无法提供无功支撑，帮助电网快速恢复电压；而当故障清除以后，由于损失了风电场有功出力，系统频率会出现偏移。国家电网要求风电机组具备在并网点电压跌落不低于额定电压的20%时，保持连续并网运行625ms的能力，为响应这[29]一要求风电机组加装了Crowbar保护电路。同时风电场也加装了动态无功补偿装置来加强电压暂态稳定性。但动态无功补偿装置的使用，又引发了新的问题：在低电压故障期间，动态无功补偿装置投入使用；在故障清除后，无功补偿装置控制不当继续连接在电网上运行，仍然向系统提供大量的无功，导致风电场电压第6页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论越限，风电机组高电压脱网。还有风电场升压变与主变抽头的配合问题，风电场出力增大，低压母线电压降低，升压变通过调整抽头，提高低压母线电压，而风力发电具有随机性，当风电场出力迅速减小以后，由于升压变抽头调整较慢，低[30]压母线电压越限，造成风电机组高电压脱网。1.3.2风电机组无功调节能力根据使用的电机类型和电路拓扑结构，目前主流的风电机组可分为异步风电机组、双馈风电机组和永磁直驱风电机组三种类型。永磁直驱风电机组与电网的所有能量交换都通过全功率变换器实现，该变换器可以完成有功无功功率解耦控制。永磁直驱风电机组在向电网输出有功功率的同时，可以实现无功功率的连续调节。永磁直驱风电机组的无功调节能力取决于全功率变换器的容量。异步风电机组并不具备主动调节无功功率的能力，随转差率的变化从电网吸收不同的无功功率。与前面两者相比，双馈风电机组情况较为复杂，它的电机定子直接与电网耦合，通过转子侧变换器的解耦控制，电机既可以从电网吸收无功功率，又可以向电网馈送无功功率。而双馈机组的网侧变换器也可以向电网提供一定的无功支撑。文献[31]根据双馈发电机的等效电路，推导出无功功率平衡方程，讨论了不同工况下双馈发电机定、转子无功特性。文献[32-33]基于双馈电机稳态数学模型，考虑了网侧变换器无功发生能力，提出了计算双馈风电机组无功功率极限的计算方法。文献[34]采用异步电机稳态相量模型分析了定子电流、转子电流以及转子电压对双馈发电机无功功率的约束，得出了双馈风电机组的无功功率极限。1.3.3风电场无功补偿在风电场及风电场升压站安装无功补偿装置，可以提高风电场的电压稳定性，改善电网电能质量。文献[35]实地测试比较了甘肃酒泉风电基地常用的无功补偿装置，如静止无功发生器（SVG）、晶闸管控制电抗器（TCR）、磁控电抗器（MCR）的动态调节范围、有功损耗、响应时间和谐波电压水平。部分学者讨论了风电场无功补偿容量的优化计算问题。文献[36]提出风电场内各环节无功损耗计算方法，根据风电场无功补偿技术规定，确定合适的集中补偿容量。文献[37-39]考虑了风电出力和负荷的变化，以建设费用最小、电压偏差最小或者无功裕度最大为目标函数，采用遗传算法、随机模拟的粒子群算法、遗传算法与模拟退火法相结合等智能算法，研究补偿容量问题。1.3.4风电场无功电压协调控制参与风电场无功电压控制的主要设备包括风电机组（双馈风电机组和永磁直第7页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论驱风电机组）、有载调压变压器、无功补偿装置（包括电容器、电抗器、静止无功发生器SVG、静止无功补偿器SVC等）。这些装置具有不同级别的响应动作时间，有载调压变压器的动作时间在秒级（一般在5s左右），静态无功发生器SVG的响应时间为5ms左右，MCR型SVC的响应时间在100~300ms，TCR型SVC的响应时间在10ms左右。在进行风电场无功电压控制时，需要考虑这些装置在时间上的配合和无功需求的协调分配。文献[40-41]借鉴变电站综合无功控制方法，提出风电场无功电压控制的分区图，结合实际运行经验，对参与电压调节的装置进行协调控制。文献[42]指出如果研究的是风电场中长时间尺度的无功优化问题，可以以有功损耗最小、无功裕度最大、关键节点电压偏差最小为目标函数，考虑潮流约束和上下限约束，利用遗传算法、神经网络算法等智能算法进行求解。文献[43]指出如果研究的是风电场无功电压在线控制问题，一般选择并网点电压作为控制对象。将参考电压与实际电压进行比较，利用比例控制器或者带死区的比例积分控制器得到整个风电场的无功总需求。将这个总需求按一定的分配方法首先在无功补偿装置和风电机组群之间进行分配，文献[44]选择风电机组群优先承担无功调节任务，当所需的无功功率超出风电机组调节能力时，再由无功补偿装置参与调节；文献[45]选择无功补偿装置优先参与调节，当超出无功补偿装置调节能力时，再由风电机组群参与调节。风电机组群所承担的无功需求，还要根据一定的准则在各风电机组之间进行分配。文献[46]提出按照当前的无功发生能力进行调节，无功发生能力强的要多承担任务；文献[47]提出按照等功率因数进行调节，发出有功功率多的相应承担的无功需求也多；文献[48]提出按照无功电压灵敏度进行调节，灵敏度高的优先承担任务。文献[33]提出在双馈风电机组内部，还要进行无功需求的第三次分配，要按照一定的准则在定子和网侧变换器之间进行无功功率的分配。1.4本文主要研究内容和结构安排本文以风电机组和风电场的数学模型为基础，设计和实现了基于RT-LAB的风电场实时仿真平台，以该平台为工具对风电场无功电压控制策略进行了仿真和分析。本论文的正文共分为5章，结构安排如下：第1章绪论。首先阐述模型研究和系统仿真的思想方法，介绍实时仿真技术及其对风力发电领域的应用价值；然后介绍电力系统实时仿真研究现状；最后对国内外风电场无功电压控制研究进行综述。第2章风电机组及风电场的结构与数学模型。首先介绍风电机组的结构及工作原理，建立包含风力机、传动链、发电机、变换器、变桨系统及Crowbar第8页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论保护电路的风电机组的动态数学模型；然后研究风电机组在最大功率跟踪控制、有功无功指令控制、并网解列等典型工况下的控制策略；最后建立基于ARMA模型并考虑尾流效应、时滞效应的多机风速数学模型，以及包含静止无功发生器SVG的风电场模型。第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现。首先介绍RT-LAB实时仿真系统，讨论实时仿真中的时间概念、算法选择和多帧速算法，对OP5600实时仿真计算机和RT-LAB实时仿真软件进行介绍；然后设计和实现了风电场实时仿真平台，对平台的组成、数据通信、人机交互界面进行介绍，建立风电机组及风电场仿真模型；最后对所建立的风电机组及风电场仿真模型进行仿真验证。第4章风电场无功电压控制仿真分析。以风电场实时仿真平台为工具，首先展开风电场电压波动特性分析；然后对基于SVG的并网点电压控制进行仿真分析；最后对基于风电机组无功调节能力的并网点电压控制进行仿真分析。第5章总结与展望。第9页 上海交通大学工学硕士学位论文第1章绪论第10页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型第2章风电机组及风电场的结构与数学模型2.1风电机组的模型2.1.1风电机组的结构及工作原理双馈风电机组（doublyfedinductiongenerator，简称DFIG）能实现变速恒频运行，可以在较宽的转速范围内实现风能的最大功率跟踪，而且变换器容量较小，制造成本低，在风电场中得到了广泛应用。本文以基于双馈风电机组的风电场为研究对象，下面介绍风电机组的结构及工作原理。双馈风电机组典型结构如图2-1所示。风力机从流动的空气中捕获能量，推动风轮旋转，经齿轮箱升速后，带动双馈感应发电机旋转。双馈感应发电机转子外接了一个双PWM变换器。转子侧变换器对转子励磁，可对定子进行有功无功解耦控制，实现双馈发电机的变速恒频运行。网侧变换器维持两个变换器之间直流母线电压的稳定，同时与转子侧变换器配合形成能量交换的通道。转子绕组并联Crowbar保护电路，直流母线并联卸荷（chopper）保护电路，它们为变换器和直流母线提供过电流过电压保护，避免故障期间变换器和电容器的损毁。双馈风电机组出口额定线电压为690V，必须经过箱式变压器升压后，才能连接到集电线路上。本文所建立的双馈风电机组额定容量为2MW，额定频率为50Hz，极对数为2，具体参数见附表1。ABC齿轮箱发电机变压器风力P机mCrowbarrcPrPgPPrdcgdc转子侧网侧Prdc变换器dc变换器Chopper图2-1双馈风电机组结构图Fig.2-1SchematicdiagramofDFIG2.1.2风电机组的数学模型2.1.2.1风力机的数学模型风力机将空气动能转化为机械能，其中涉及到流体力学、结构力学的一系第11页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型列理论知识。由于我们的研究重点是风电机组的电气特性，可以对风力机进行简化建模。风力机从流动空气中捕获的机械功率P可表示为：m13PAC(2-1)mp2式中，为空气密度；A为风轮扫掠面积；为风速；C为风能利用系p2数。如果已知风轮半径为R，则扫掠面积亦可表示为AR。定义叶尖速比为：R(2-2)式中，为风轮转速；R为风轮半径；为风速。如果已知叶尖速比和叶片桨距角，则可用下式计算风能利用系数[49]C：pc5c2iC(,)c(cce)c(2-3)p1346i110.035式中，，系数c至c取值分别为：c0.5176，31610.081ic116，c0.4，c5，c21，c0.0068。234562.1.2.2传动链的数学模型传动链主要包括轮毂、轴承、齿轮箱等部件。风轮在风力推动下低速旋转，经齿轮箱升速后，拖动发电机高速旋转。由于传动系统两端的风轮和发电机的转动惯量，比齿轮箱、轴承的转动惯量要大得多，在进行风力发电机组整机动力学分析的时候，常常将传统系统简化为一个扭转弹簧系统，建立两质量块模型。[50]建立风力机和发电机的两质量块模型时，传动链数学模型可表示如下：dm2HTKDmmmmdtdG2HKTD(2-4)GeGGdtd()0mGdt式中，各参数均为标幺值，H、H分别为风力机、发电机的惯性时间常mG数；为两质块之间相对角位移；、分别为风力机、发电机转速；为mG0同步转速；T、T分别为机械转矩、电磁转矩；K为轴的刚度系数；D、DmemG分别为风力机、发电机的阻尼系数。第12页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型2.1.2.3发电机的数学模型双馈电机定子连接在电网上正常运行时和定子断路器动作于跳闸从电网断开时的数学模型是不一样的。以下称定子断路器闭合时双馈电机模型为并网电机模型，称定子断路器断开时双馈电机模型为离网电机模型。双馈电机定子断路器动作时，需要进行并网和离网模型的切换，下面分别予以讨论。(一)并网电机数学模型忽略空间谐波和铁心损耗的影响，假设磁链不饱和，并且认为双馈电机定、转子三相绕组对称。采用保持功率不变的2/3坐标变换，可以实现三相静止坐标系abc到两相同步旋转坐标系dq的变换。按照电动机惯例，电压-电流[51]方程可表示为：uisdRsLps1sLLpm1mLsduisq1sLRsLps1mLLpmsq(2-5)uiLpsLRLpsLrdm1mrr1rrdusLLpsLRLpirq1mm1rrrrq式中，R为定子电阻；R为转子电阻；L为定转子互感；L为定子自srms感；L为转子自感；为电网同步角速度；s为电机转差率；p为微分算子。r1电磁转矩方程为：TnLii(-ii)(2-6)epmsqrdsdrq式中，n为电机极对数。p(二)离网电机数学模型定子断路器动作于跳闸时，定子侧开路，所以定子电流为零，方程组(2-5)可简化为：usdLpm1mLusq1mLLpmird(2-7)urdRrLprsL1rirqusLRLprq1rrr由方程组(2-5)(2-7)可知，电机离网运行时，状态变量有两个（i、i），rdrq转子电压为输入量，定子电压为输出量；电机并网运行时，状态变量有四个（i、i、i、i），转子电压、定子电压都变为输入量。在双馈电机全过程sdsqrdrq仿真研究中，离网时使用由方程组(2-7)建立的电机离网模型，并网时使用由方程组(2-5)建立的电机并网模型。而在并网离网切换瞬间要进行两种模型的切换和状态变量的数据转移，可参考文献[52]。第13页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型2.1.2.4变换器的数学模型（一）平均模型根据不同层次的仿真需要，电力电子仿真模型可分为3类，即详细模型、[53]理想开关模型和平均模型。由于风电场级别的研究主要关注风电机组的外部平均特性，不考虑开关电压、开关电流的具体波形。再考虑到所研究风电场的仿真规模及实时仿真计算机有限的资源，决定采用变换器平均模型进行风电机组建模。（二）直流环节数学模型转子侧变换器与网侧变换器之间的直流环节的功率关系可表示为：PPP(2-8)dcgdcrdc式中，P为电容器上的有功功率；P为网侧变换器流向直流环节的有功dcgdc功率；P为直流环节流向转子侧变换器的有功功率。rdc在忽略线路损耗和功率器件损耗的情况下，运用交流侧与直流侧的功率瞬时平衡关系可得：PPuiui(2-9)gdcgsdgdsqgqPPuiui(2-10)rdcrrdrdrqrq式中，P为电网流向网侧变换器的有功功率；P为转子侧变换器流向转子gr的有功功率；i为电网流向网侧变换器电流的d轴分量；i为电网流向网侧变gdgq换器电流的q轴分量。电容器上的有功功率P又可表示为dcdudcPuC(2-11)dcdcdt式中，u为直流母线电压；C为电容器电容值。联立式(2-8)(2-11)，可解dc得直流母线电压的数学表达式：2u()PPdt(2-12)dcgdcrdcC双馈风力发电机组的直流环节常设置一个卸荷单元（chopper）保护电路，以保护直流电容免受过电压损害。直流卸荷电路一般由一个单管IGBT和卸荷电阻r构成。考虑卸荷保护电路的作用，忽略IGBT的开关损耗，则直流环节功dc率关系需修正为：2udcPPPS(2-13)dcgdcrdcrdcS0表示卸荷电阻切出；S1表示卸荷电阻投入。（三）变换器控制策略第14页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型本文中风电机组在并网、最大功率跟踪控制、有功无功指令控制、解列等工况下，网侧变换器沿用同一种控制策略，即按照电网电压定向控制策略，实现有功无功功率解耦，可参考文献[54]，及第2.3.2节静止无功发生器SVG的控制。转子侧变换器的控制目标是实现变速恒频和定子有功无功功率的解耦。采用定子电压定向控制策略，使同步旋转坐标系的q轴定向到定子电压矢量方向上，则u0，uu，其中u为电网电压幅值。由于定子电阻很小，稳态时，sdsqss忽略定子电阻上的压降，则由(2-5)可得uLiLi(2-14)sd1ssq1mrquLiLi(2-15)sq1ssd1mrd考虑到u0，uu，则sdsqsLmii(2-16)sqrqLsuLsmii(2-17)sdrdLL1ss将式(2-16)(2-17)带入到电磁转矩方程(2-6)可得usTnLi(2-18)epmrqL1s由式(2-18)可以看出，通过控制转子电流q轴分量i可以控制电机的电磁转rq矩，进而可以控制定子发出的有功功率。在定子电压定向的条件下，定子发出的无功功率可表示为2uLsmQuiui(2-19)ssqsdsrdLL1ss由式(2-19)可以看出，通过控制转子电流d轴分量i可以控制定子发出的无rd功功率。只要给定电磁转矩及无功功率的参考值，就可以通过式(2-18)(2-19)得到转子电流dq轴分量的参考值。由于我们无法直接控制转子电流，但能通过PWM变换器控制转子电压，所以需要设计转子电流控制环，通过控制转子电压间接实现对转子电流的控制。忽略暂态分量，由(2-5)可以得到稳态时转子电压方程usLiRisLird1msqrrd1rrq(2-20)usLiRisLirq1msdrrq1rrd由此得到转子侧变换器的控制策略，如图2-2。其中sLisLi是转1msq1rrq子电流d轴分量i的补偿项；sLisLi是转子电流q轴分量i的补偿rd1msd1rrdrq项。第15页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型sLisLi1msq1rrqDCLinksLisLi1msd1rrd***转uuu,,-**rarbrci*++urdurα子rdPI-+**αβ/abcSVPWM侧i*++urqdq/αβurβ变rqPI-换器irqiirα,rβiii,,rarbrcdq/αβαβ/abcirdDFIG图2-2转子侧变换器控制策略Fig.2-2Controlstrategyofrotor-sideconverter2.1.2.5变桨系统的数学模型本文采用的变桨系统控制方案是：风电机组启动时，桨距角由90°位置调整到15°位置，在风力推动下，发电机转速逐渐上升。在转速升至0.7pu附近时，检测电机定子电压，如果符合并网条件，则定子断路器闭合，风电机组并网。然后桨距角以10°/s的速率调整到0°位置，以实现最大功率跟踪。在风力发电机组解列时，桨距角以10°/s的速率调整到90°位置，以防止电机过速，保护风力发电机组。当风电机组需要将功率限制在额定功率或者某个给定的指令功率值时，变桨控制如图2-3，将电机转速标幺值与参考值之差送入PI比例积分控制器，经限幅限速率后输出，保证了桨距角参考值的合理。用一阶惯性环节表示变桨伺服系统。如果限制在额定功率值，则当电机转速低于1.2pu（1.2pu对应于机组额定功率2MW）时，风力发电机组变桨环节不动作；当电机转速高于1.2pu时，变桨环节动作，通过降低捕获的风能来减少电功率输出。90o10/s*11K(1)pTsio1Ts0-10/s伺服系统限幅限速率*图2-3变桨控制策略Fig.2-3Pitchcontrol2.1.2.6Crowbar的数学模型双馈风电机组通常会在转子电路中设置一个Crowbar保护电路。当电网电第16页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型压瞬间跌落时，转子电流会迅速增大，直流母线电压会升高。此时投入Crowbar保护电路，将电机转子短接，可实现限制过电流、保护变换器的目的。设Crowbar电阻值为r，则Crowbar保护电路投入后，电机方程(2-5)等号右侧的Rcr变为Rr，同时等号左侧的u、u置为零。如果将包含r的子项ri、ri移rcrdrqccrdcrq到方程左边，则在Crowbar保护电路投入后，电机方程(2-5)变为uisdRsLps1sLLpm1mLsduisq1sLRsLps1mLLpmsq(2-21)riLpsLRLpsLicrdm1mrr1rrdrisLLpsLRLpicrq1mm1rrrrq由方程(2-21)可见，Crowbar保护电路的投入相当于在转子侧接入了幅值为ri、ri的电压源。crdcrq2.2风电机组在典型工况下的控制策略2.2.1最大功率跟踪控制根据电机转速-有功功率曲线，只要检测到电机转速，就可以由该曲线得r***到有功功率的参考值P，于是可以得到此刻电磁转矩的参考值TP/。再er*根据式(2-18)即可得到当前转子电流参考值i。在最大功率跟踪工况下，如果风rq电机组采用单位功率因数（cos1）控制策略，则定子无功功率参考值设置为*us零，根据式(2-19)可得转子电流参考值i。rdL1m2.2.2有功无功指令控制**在接受调度指令的情况下，风电机组接收调度下发的功率参考值P、Q。**于是电磁转矩的参考值为TP/。再根据式(2-18)即可得到当前转子电流参er*考值i。双馈风电机组定子和网侧变换器都有提供无功功率的能力。为了尽量rq减少变换器所处理的功率负荷，在分配无功功率时，应该优先考虑定子。当无功功率的参考值超出了定子无功发生极限时，超出部分由网侧变换器去承担。*若给定定子无功功率参考值Q，则可根据式(2-19)可得到转子电流参考值i。srd2.2.3并网解列控制空载并网前，转子侧变换器的控制目标是对电机进行励磁，使定子电压的幅值、相角、频率接近电网电压。忽略暂态分量，则由方程(2-5)可得定子电压方程第17页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型uLisd1mrq(2-22)uLisq1mrd***考虑到定子电压的参考值u0，uu，则转子电流参考值i0，sdsqsrq*usi。rdL1m并网后，根据风电机组处于何种工况（最大功率跟踪或者接受有功无功调度指令）来确定转子电流参考值，空载并网前后需要对转子电流参考值进行切换。解列前，根据风力发电机组处于何种工况（最大功率跟踪或者接受有功无功调度指令）来确定转子电流参考值。解列时，定子电流要减小到零，以实现柔性**解列，相应地定子有功无功功率需降为零。令功率参考值P、Q为零，则由方**us程(2-18)(2-19)可得转子电流参考值i0，i。当检测到定子电流小于rqrdL1m某个值时，定子断路器动作于跳闸，将风力发电机组定子与电网分离开来。解列前后需要对转子电流参考值进行切换。2.3风电场的模型2.3.1风电场的组成及拓扑结构风电场一次电气设备包括风电机组（异步风电机组、双馈风电机组、永磁直驱风电机组）、风电机组出口箱式变压器、集电线路、汇流母线、无功补偿装置（电容器、电抗器、静止无功发生器SVG、静止无功补偿器SVC）、升压站有载调压变压器等。风电机组将风能转换成电能，由线路汇聚、变压器升压后输送往并网点。本论文所建立的基于RT-LAB的风电场实时仿真平台需要对千万千瓦级风电基地的实际问题进行研究。所以风电场模型将参考大型风电场的实际情况，提取其典型特征，建立合理的仿真模型。拟建立的风电场将包含100台双馈风电机组，每台机组额定容量为2MW，总容量为200MW。风电场内有10条集电线路，每条集电线路连接10台双馈风电机组。经两段35kV母线汇流，两台容量为100MVA的变压器升压后送出。2.3.1.1风电场升压站电气主接线风电场升压站电气主接线如图2-4。风电机组发出的电能通过箱式变压器升至35kV后，采用10回35kV架空线路输送至风电场110kV变电所的35kV汇流母线。该风电场110kV变电所安装2台主变压器，其容量为100MVA，变比为110/35kV，型号为SFZ10-100000。共计2回主变进线，2回110kV出线，送出线路型号为LGJ-240。高压侧110kV采用单母线分段接线，低压侧35kV采用单母线分段接线，每段母线有5回进线。每段35kV母线接入20Mvar无功补偿装第18页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型置SVG。典型的风电场送出线路（110kV）长度为5-30km。通往330kV变电站LGJ-2402x10Mvar110/35kV110/35kV2x10MvarSVGSFZ10-100000/110SFZ10-100000/110SVG35kVⅠ段风电场35kVⅡ段10台10台10台10台10台10台10台10台10台10台2MWDFIG2MWDFIG图2-4风电场升压站电气主接线Fig.2-4Mainelectricalconnectionsforwindfarmsubstation2.3.1.2风电场集电线路电气主接线风电机组采用一机一变单元接线方式，箱变容量为2100kVA，变比为35/0.69kV。风电机组采用4根低压电力电缆并联方式连接到箱变低压侧，升压后经一根电力电缆连接到邻近的35kV集电线路上。将100台风电机组分为10回接线，每回连接10台机组，每回的容量为20MW。风电机组所发电能通过10条35kV单回LGJ-185架空线路，输送至110kV升压变电所。本文中风电机组行距400m，列距700m，呈梅花桩布置，塔架至箱变10米，箱变至集电线路10米。根据风电场地形、风电机组位置、主风向等因素，实际风电场的集电线路有多种连接方式，如图2-5，10台风电机组按照3、3、4的连接方式接入到同一条集电线路上。本文需要考虑风电场内部电气接线情况，对风电场电压问题进行研究。由于在图2-6的接线方式下同一条集电线路上最大最小电压差值更大，这种接线方式对机组电压的考验更为严峻，所以风电场模型的集电线路连接方式将参照图2-6。第19页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型0.4km0.4km0.2km35/0.69kVA1A2A30.4km0.4km0.2km35/0.69kV0.7kmA6A5A40.4km0.4km0.4km0.2km6kmA10A9A8A7图2-5集电线路连接方式一Fig.2-5FeederlineconnectionmodeoneA1A3A5A7A90.4km0.4km0.4km0.4km0.4km0.4km0.4km0.4km0.4km6kmA2A4A6A8A10图2-6集电线路连接方式二Fig.2-6Feederlineconnectionmodetwo2.3.2风电场SVG的数学模型所建风电场采用的无功补偿装置为静止无功补偿器SVG，其原理图如图2-7。通过对由开关器件组成的PWM逆变桥的调制，可以实现直流母线电压向三相交流电压的变换。通过控制逆变三相电压的幅值和相角，就可以控制SVG向电网发出的无功功率大小。eALRiAuAeBLRiBUdcCuBeCLRiCuCSVG图2-7SVG原理图Fig.2-7SchematicdiagramofSVG假设电网电压及PWM逆变桥逆变电压三相对称，只含有正序分量。则电网电压可表示为：第20页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型u2UsintAs2u2Usin(t)(2-23)Bs32u2Usin(t)Cs3式中，U是电网相电压有效值；uuu,,是电网正序三相电压的瞬时值。sABC逆变三相电压可表示为：ekUsin(t)Adc2ekUsin(t)(2-24)Bdc32ekUsin(t)Cdc3式中，U是电容电压值；eee,,是逆变器输出正序三相电压的瞬时值；kdcABC是调制比，即逆变器输出相电压的幅值与电容电压值之比；是逆变器输出正序三相电压超前电网正序三相电压的角度。根据图2-7，可以列写电压回路方程：diAeLRiuAAAdtdiBeLRiu(2-25)BBBdtdiCeLRiuCCCdtSVG内部及连接至并网点的有功功率损耗用电阻R等效，SVG内部及连接至并网点的无功功率损耗用电感L等效，iii,,是逆变器流向电网的正序三相ABC电流的瞬时值。由瞬时功率平衡关系得出下列方程：dUdceieieiUC(2-26)AABBCCdcdt式中，C是SVG的电容值。[55]于是可得描述SVG电压电流相互关系的状态方程为：diA1()eRiuAAAdtLdiB1()eRiuBBB(2-27)dtLdi1C()eRiuCCCdtLdU122dc[sin(kt)iksin(t)iksin(t)i]ABCdtC33第21页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型[56]SVG有两种控制方式。一种是PAM（PulseAmplitudeModulation）控制方式：该方式下调制比k保持不变，通过调节SVG逆变电压与电网电压的相角差来控制输出的无功，相角差增大，SVG发出的无功增多，同时与电网的有功功率交换也增多，而且无法维持直流侧电压的稳定。另一种方式是同时调节调制比k和相角差，通过有功无功解耦控制，在保持直流侧电压稳定的同时，调节发出的无功功率。这种控制方式也就是双馈风力发电机组网侧变换器采用的控制策略，具体内容请参考文献[54]，图2-8是第二种控制方式的控制框图。DCLinkUdcU*-*e*e*e*dcid++dαaPIPI*Q*+***αβ/ebiq-++eqdq/αβeβ*SVPWMPIPIabcec++--i+dQLeVTeaieαqdabc/edq/αβebβ-+ecLidiαiaabc/idq/αβbCTiiβicq图2-8SVG控制策略Fig.2-8ControlofSVG2.3.3风速模型风速模型是风电场模型的重要组成部分。如果风速模型不准确，或者过于简化，那么再详细精确的风电机组模型都无法准确模拟风电场真实运行情况，也无法再现实际风电场中存在的无功电压问题。对于单台风电机组而言，如果研究的是电磁暂态问题，可以假定风速为恒定风速；如果研究的是机电暂态或者更长时[57]间尺度的问题，可以采用基本函数叠加法或者线性滤波器法产生风速。对于整个风电场而言，由于风电机组间隔较远，风电场地理空间较广，比如本文所建立的风电场长7km，宽4km，于是处于不同地理位置的风电机组将具有不同的风速。整个风电场采用同一个风速是非常不合理的。需要考虑风电场尾流效应和时滞效应，建立既有相关性又有差异性的多机风速模型。本小节利用自回归滑动平均方法（ARMA）建立具有Kaimal功率谱特性的第22页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型单机风速模型，然后考虑尾流效应和时滞效应，将单机风速扩展到整个风电场。2.3.3.1ARMA模型及其参数估计自回归滑动平均模型（ARMA，Auto-RegressiveandMovingAverageModel）[58]在多学科领域得到了广泛应用。ARMA模型差分方程具有如下形式：pqxn()axniij()ben0()ben(j)(2-28)ij11式中，系数aa,,和bb,,分别称为自回归（AR，Auto-Regressive）参1p0q数和滑动平均（MA，MovingAverage）参数，p和q分别叫做AR阶数和MA阶数。具有p阶数AR和q阶数MA的ARMA模型记作ARMA(p,q)。特别地，称ARMA(p,0)模型为p阶AR模型，称ARMA(0,q)模型为q阶MA模型。若时间序列xn()是一个满足方程(2-28)的平稳ARMA(p,q)过程，白噪声序2列en()服从N(0,)高斯分布，则xn()的功率谱密度为22j22Bz()Be()S()(2-29)xjAz()jAe()ze1p式中，z为z变换算子；2f；Az()1azaz；1p1qBz()bbzbz。如果ARMA模型对应的算子方程Az()0的根全部01q落在单位圆以内，则称该模型是平稳的。Bz()0的根全部落在单位圆以内，则称该模型是可逆的。经过参数估计得到的a,,ab,,,b值需满足平稳可逆10pq条件。2式(2-29)的物理意义如图2-9，功率谱密度为的白噪声序列en()，经过数字滤波器滤波后，输出功率谱密度为S()的时间序列xn()。只要合理选择xARMA(p,q)的阶数及参数值，就能使S()充分逼近Kaimal功率谱密度S()。xu只要白噪声序列en()服从均值为零的高斯分布，时间序列xn()也将服从均值为零的高斯分布。时Bz()en()xn()域Az()2频Be()j2S()域jxAe()图2-9线性滤波器法Fig.2-9Linearfiltermethod第23页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型下面介绍ARMA(p,q)参数值的确定方法，即ARMA模型的参数估计。若ARMA模型的多项式Az()和Bz()无可对消的公因子，且a0，则该模p型的AR参数可由p个修正尤利-沃克（Yule-Walker）方程paRliix()Rlx(),lq1,...,qp(2-30)i1唯一确定。其中Rm()是xn()的自相关函数，且是偶函数，根据维纳-辛x钦（Wiener-Khintchine）定理，1jjmRm()Se()ed(2-31)xx2由于功率谱密度函数S()是关于的偶函数，所以x1/2Rm()2Sf()cos(2fmf)d(2-32)xx0为了让S()充分逼近Kaimal功率谱密度S()，式(2-32)需改写成xu1/2Rm()2Sf()cos(2fmf)d(2-33)xu0ARMA模型的MA参数由以下方程组确定2222()bbbc01q02()bbbbc01qq11(2-34)2bbc0qq其中，ppckaaCkiijx(jk),0,1,,q(2-35)ij00Cm()是xn()的自相关函数，当xn()均值为零时，Cm()Rm()，此xxx时ppckaaRkiijx(jk),0,1,,q(2-36)ij002非线性方程组(2-34)共有q+2个未知参数bb,,,,b，但方程只有q+101q22个，通常约定1或者b1，以保证解的唯一性。本文约定1。非线性0方程组(2-34)可用牛顿-拉夫逊（Newton-Raphson）算法求解。2.3.3.2单机风速瞬时风速vt()是指在某时刻t，空间某点上的真实风速，它由平均风速和脉动风速组成，即vt()vvt'()(2-37)第24页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型式中，v为平均风速；vt'()为脉动风速。平均风速不但与测风时距有关，还取决于测风点高度。我国规范规定的标准时距为10min，标准高度为10m。平均风速随高度变化的规律可采用对数律分[59]布或指数律分布进行描述，对数律分布表示如下vzvz()ln()(2-38)kz0式中，vz()为离地高度为z处的平均风速；v为摩擦速度，当已知标准高度10m处的平均风速时，v即可由式(2-38)求得；k为卡门（Karman）常数，一般近似取0.4；z为地表面粗糙长度，取值参考表2-1。0表2-1不同区域的粗糙长度Table.2-1Roughnesslengthofdifferentarea建筑物建筑物不大城市中地形沿海地区开阔场地较多的多的郊区心郊区z0(m)0.005-0.010.03-0.100.20-0.400.8-1.202.00-3.00脉动风速具有随机性，可用数理统计工具研究其特性。下面介绍描述脉动风[59]速特性的卡曼（Kaimal）谱密度函数。1972年，Kaimal提出了沿高度变化的脉动风速功率谱密度函数fS(,)fz200xu(2-39)25/3vx(150)zf式中，x；v为高度z处的平均风速。zvz当高度z确定时，Kaimal谱变为频率f的单值函数，式(2-39)可写成2z*200zSf()(2-40)uzf5/3(150)z经过定阶和检验，发现ARMA(3,2)模型对Kaimal功率谱有较好的拟合效果和较小的计算量。表2-2列出了不同仿真条件下的ARMA(3,2)模型参数。为便于比较，以下结果中的白噪声序列en()为同一样本。第25页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型表2-2不同条件下ARMA模型参数Table.2-2ParametersofARMAmodelsunderdifferentconditionzz0.03m,10mvz7m/s,10mvz7m/s,0.03m0zz0参数v(m/s)z(m)z(m)z037120.0050.250100a1-1.1383-1.0620-0.9884-1.0620-1.0620-1.1777-1.1987a2-0.0742-0.1077-0.1395-0.1077-0.1077-0.0574-0.0489a30.24110.22170.20410.22170.22170.25180.2579b00.29170.85621.66190.65441.27150.42410.3119b1-0.0673-0.1868-0.3402-0.1428-0.2774-0.1001-0.0746b2-0.1104-0.3220-0.6213-0.2462-0.4782-0.1613-0.1189图2-10是当z0.03m,z10m,v3712m/s、、时，持续时间为10min的风速0z时间序列vn()。由图可见，平均风速v越大，脉动风速波动越剧烈。根据流z体力学中的雷诺试验结果，流体流动速度越大，湍流就越容易发生。这就是风速越大，脉动越剧烈的原因。图2-11是z10m,v7m/s,z0.0050.030.2m、、时，持续时间为10min的风z0速时间序列vn()。由图可见，地面粗糙长度z越大，脉动风速波动越剧烈。0因为z越大，意味着地表面越粗糙，流动空气受地面摩擦力的影响越大，也就0越容易发生湍流。图2-12是v7m/s,z0.03m,z1050100m、、时，持续时间为10min的风速z0时间序列。由图可见，离地高度z越高，风速脉动越小。这是因为离地高度越高，意味着受地表面粗糙程度及温度层结的影响越小，湍流也就越小。图2-10v变化时风速时间序列zFig.2-10Timeseriesofwindspeedwithvvariationz第26页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型图2-11z变化时风速时间序列0Fig.2-11Timeseriesofwindspeedwithzvariation0图2-12z变化时风速时间序列Fig.2-12Timeseriesofwindspeedwithzvariation2.3.3.3多机风速风电场地理跨度比较大，各风机周围的空气流体场也有所差异。当风吹过风力机后，一部分风能转化成了风力机的机械能，于是风能必然要有所减少，其表现就是风轮后面风速的下降。而吹过风轮的风逐渐远离风轮后，又会逐渐恢复风速。如果风机距离很近，且在风向上前后遮挡，那么前一台风机就会影响下一台风机，这种现象称为尾流效应。使用图2-13中的Jensen模型可以对尾[60]流效应进行计算。RKxR(2-41)xR2VV1()(11C)(2-42)x0TKxR第27页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型式中R为风轮半径，R为距离风机x处的尾流半径；K为尾流衰减系数，xV为起始风速；V为距离风机x处的尾流风速；C为推力系数。0xTVV00RRxVxx图2-13Jensen风速模型Fig.2-13Jensenwindspeedmodel海上风电场K的典型取值为0.04，陆上风电场K的典型取值为0.075，风速在7m/s至12m/s之间变化时，近似计算可取C为0.8。T风速的时滞效应采用如下公式计算：xt(2-43)u式中t为风速时滞时间；x为距离风机的距离；u为x等于0处的平均风速。对于一个风电场而言，主风向是指一年之中概率最大的风速风向，除了主风向，风还有可能从其它地方吹来。最极端的两种情况如图，Y轴是风电机组排所在位置，X轴是风电机组列所在位置，风电机组呈梅花桩型交错布置。图2-14是风沿着Y轴正方向的风速场，由于在风向上，风机前后遮挡，尾流效应明显。图2-15是风沿着X轴正方向的风速场，由于风机呈梅花桩型交错布置，根据Jensen公式可以计算出，后一排风机并不在前一排风机尾流效应影响范围。(m/s)速风Y(km)X(km)图2-14Y方向风速场Fig.2-14WindvelocityfieldinYdirection第28页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型(m/s)速风Y(km)X(km)图2-15X方向风速场Fig.2-15WindvelocityfieldinXdirection2.4本章小结本章首先介绍风电机组的结构及工作原理，建立包含风力机、传动链、发电机、变换器、变桨系统及Crowbar保护电路的风电机组的动态数学模型；然后研究风电机组在最大功率跟踪控制、有功无功指令控制、并网解列等典型工况下的控制策略；最后建立基于ARMA模型并考虑尾流效应、时滞效应的多机风速数学模型，以及包含静止无功发生器SVG的风电场模型。第29页 上海交通大学工学硕士学位论文第2章风电机组及风电场的结构与数学模型第30页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现3.1RT-LAB实时仿真系统介绍RT-LAB实时仿真系统由实时仿真计算机硬件和实时仿真软件两部分组成，采用上位机（Host）-下位机（Target）结构。上位机由普通PC机承担模型编辑、编译、下载、信号观测等任务，下位机由OP5600型号实时仿真计算机实现模型的实时运算，上位机下位机之间采用TCP/IP协议通信。RT-LAB实时仿真系统可以外接功率放大器或者实际物理设备构成硬件在环系统，让被测试设备处于逼近真实环境的场景中，仿真结果具有较高的可信度。3.1.1实时仿真中的时间概念仿真模型是在另一个时空中存在的关于实际系统的虚拟映射模型。在真实电力系统中一秒钟所历经的各种动态过程，反映在仿真模型中则历经这些动态过程的时间会相应地延长或者缩短。而且这种时间延长或者缩短的比例并不是固定不变的。实时仿真的众多应用都是建立在实时特性的基础之上的。为了明确实时仿真的内涵和外延，首先需要讨论一下实时仿真中的两个时空和三种时间概念。所谓的两个时空，是指自然时空和仿真时空。前者指我们存在的时空，后者指仿真模型运行时所处的时空。自然时空的时间轴没有起点，没有终点，时间均匀向前推动。仿真时空的起始、终止时间可以人为设定，如果采用定步长算法，则时间均匀向前推动；如果采用变步长算法，则时间非均匀向前推动。下面引入实时仿真中的三种时间概念，它们分别是自然时间、机器时间和仿真时间。自然时间（Realtime），指自然时空客观存在的时间。机器时间（MachineTime），指仿真计算机的脉冲时钟累计的时间。仿真时间（simulationTime），指仿真模型运行时仿真时空中的时间。在这三种时间中，只有自然时间是唯一的。不管你在世界上哪一个地方，采用哪一台仿真计算机，自然时间都一样。对于机器时间的概念，我们可以借助石英手表来理解。石英手表以石英振荡器作为时间基准，频率一般为32768Hz。石英振荡器脉冲信号的计数可以折算成表盘上的时间。机器时间是对自然时间的近似，存在一定的误差。石英手表的工作误差一般小于0.5s每日，采用不同精度的石英手表，会有不同的机器时间。但当计时设备精度足够高时，我们可以认为机器时间等同于自然时间。在全数字仿真中，仿真模型由程序语言和解算算法构成，它在仿真时空中运行，与自然时空没有信息交互。但在实时仿真中，系统的一部分以仿真模型的形式运行在仿真计算机上，其余部分以实际物理设备的形态存在于自然时空第31页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现中。这样一来，仿真时空就要与自然时空关联起来。而机器时间就是自然时空与仿真时空进行时间统一的中介。仿真时间以机器时间作为基准，当机器时间精度足够高时，可以认为仿真时间也与自然时间保持一致，这样的仿真即为实时仿真。[61]下面通过自然-仿真时间偶的概念，用严谨的数学概念定义实时仿真。定义1：自然-仿真时间偶。设仿真系统推动仿真时间到t时的对应自然时si间为t，则称由t和t构成的集合tt,为自然-仿真时间偶。集合tt,是有序isiisiisii的，仿真时间t在前，自然时间t在后。对于单调递增的仿真时间序列siits0,,tts1s2,...,,...tsitsn必然存在单调递增的自然时间序列ttt0,,,...,,...12tint与其对应。两种时间序列一一对应构成的集合tt,称为自然-仿真时间偶集I。sii在自然-仿真时间偶集的概念下，我们可以给出实时仿真的严格定义：定义2：实时仿真系统：如果在自然-仿真时间偶集I中任取两个元素，即存在tt,,tt,I，恒有tttt，则称该系统为实时仿真系统。siisjjsisjij3.1.2实时仿真算法的选择一般仿真应用都要求算法必须收敛，并且满足一定的计算精度。实时仿真算法除了这两个基本要求以外，还有其特殊要求。因为在实时仿真系统中，仿真时空要与自然时空进行信息交互，如果自然时空中的物理量参与到仿真计算中，那么计算系统就要对物理量的输入进行及时的采样和快速响应，并将相应的输出量转化成电压、电流信号及时输出。实时仿真算法要求：一，所采用的算法要能在给定步长时间内完成差分方程的计算；二，计算方法只能利用当前及过去的输入变量值，不能使用下一时刻的输入变量值；三，为了与输入输出接口的固定采样频率相匹配，减少用于资源控制的开销，实时仿真需采用定步长算法。第一个要求容易理解，仿真模型由数学模型转化而来的。数学模型为了改造成计算机可以识别、可以执行的程序语言，首先要将微分方程改造成差分方程，然后选择合适的算法对差分方程进行逐步编程求解。在一个仿真步长内，使用的算法必须能将所有的差分方程都计算一遍，更新所有状态变量的值，才能做到实时仿真。如果在一个仿真步长内，无法更新所有状态变量的值，则当下一个仿真步长到来时，系统资源仍然还被上一个步长的计算程序占用着，仿真推进的速度必然比自然时间慢。所以实时仿真算法一般都是快速仿真算法，有时为了满足实时计算的快速性要求，还会以牺牲一定的计算精度作为代价。实时仿真的步长不能太小，我们希望采用的实时仿真算法在大步长下也有较好的数值稳定性，这样就能在每个步长内为仿真计算争取更多的时间。为了说明第二个要求，我们以一个线性微分方程为例：第32页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现dit()ut()LRit()(3-1)dt这是阻感元件的数学模型，描述了其电压、电流的相互关系。在方程(3-1)中ut()是输入到仿真计算机模拟端口的外部电压激励源信号，通过对方程(3-1)的实时计算，将电流响应信号输出到计算机模拟端口，连接外部电压激励源所在的电路。如图3-1所示，这是一个简单的硬件在环系统。LRit()A/Ddit()D/Aut()LRit()dt仿真计算机ut()图3-1简单的硬件在环系统Fig.3-1SimpleexampleofHILsystem如果采用显式欧拉算法，则可以得到方程(3-1)的差分方程及递推公式：in(1)in()LRin()un()h(3-2)in(1)hRun()(1h)()inLL式中，h为仿真步长，unin(),()为第n个仿真步长时的输入量和状态量，un(1),(in1)为第n1个仿真步长时的输入量和状态量。如果采用隐式欧拉算法，则可以得到方程(3-1)的差分方程及递推公式：in(1)in()L+(Rin1)un(1)h(3-3)in(1)hRun(1)in()hin(1)LL对于隐式欧拉算法，我们看到差分方程右边出现了un(1)，而这个输入量只有在下一个仿真步长到来时，才会从仿真计算机模拟口采样输入。所以，在实时仿真算法中不能利用到下一时刻的输入变量值。3.1.3多帧速算法3.1.3.1刚性系统在讨论实时仿真计算的多帧速并行算法之前，有必要先引入刚性系统（StiffSystem）的概念。复杂系统动态过程仿真，如电力系统全过程动态仿真，在科学研究、工程设计领域的应用越来越广泛。它为人们提供了验证控制策略、选择第33页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现最优方案的工具。复杂系统动态过程数学模型通常由一组高维度的代数微分方程组来描述。这个高维度方程组通常具有非线性、稀疏和刚性（stiff）的特征。电力系统潮流计算方程组就是这种方程的典型代表。所谓刚性，是指该类方程组的解既有快速衰减的分量，又有慢速变化的分量。数学家们从不同的研究角[62]度，给出了关于刚性的不同定义，其中认同度较高的一种是：定义3：刚性系统：如果微分方程组：d()XtAX()ttf()(3-4)dt的系数矩阵A的特征值存在如下关系1）Re()0imaxRe()i2）s1minRe()j则称该微分方程组为刚性方程，其表示的系统为刚性系统。上述定义中，系数矩阵A为nn阶方阵，A可以是常矩阵也可以是时变矩阵，X()t为n维列向量，f()t为n维列向量。,都是系数矩阵A的特征值。ij称s为该微分方程的刚性比（stiffnessratio），s越大，则该方程组的刚性程度越高。特别地，如果(3-4)是线性微分方程组，系数矩阵A为一个常矩阵，且系数矩阵A存在n个互不相同的特征值，则方程组的通解可以表示为：it*XX()tCeii()t(3-5)*式中X()t是方程组(3-4)的一个特解，是特征值所对应的特征向量，Ciii是常数。如果该系统为刚性系统，则存在Re()0，Xt()中对应于的分量iiCeit将会迅速衰减，而对应于的分量Cejt则会衰减得比较慢。从数值计iijjj算的角度看，采用显示算法求解这样的方程往往会造成数值不稳定，在算法及步长的选择上要特别小心。这样的方程是不易求解的，所以刚性方程又称为病态方程。3.1.3.2多帧速并行算法在胶片电影时代，我们看到的连续播放的影片实际上是由均匀移动的离散胶片投影而成的。一幅静止的图像被称做一“帧(Frame)”。由于人类的视觉残留效应，每秒24帧图像的播放速度，在观众看来就像是连续播放的。将“帧”这个概念借鉴到仿真计算中来，在仿真过程中系统方程解算是按照仿真步长h一帧一帧离散地向前推进的，而对于普通的仿真软件使用者而言，他们觉得仿真时间是连续向前推进的，而非离散的。我们把每秒钟仿真模型按仿真步长向第34页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现前推进的次数称为帧速。在前一节已经介绍了刚性系统的概念，而且指出描述复杂系统的数学方程通常具有非线性、稀疏和刚性（stiff）的特征。为了保证刚性系统的数值稳定性，刚性算法一般都是隐式算法。每积分一步都要计算大维数的非线性方程组，比如采用Newton-Raphson迭代算法，则要进行Jacobi矩阵计算、LU分解计算等。采用同一种数值算法对刚性方程进行计算，并且要求该算法对快变分量和慢变分量的动态过程都有很好的解算效果，这是很难做到的。于是Gear，Shampine等数学家们就开始思考解决这一问题的办法。复杂系统的稀疏特征是因为这些大系统通常是由多个小系统组合而成的，这些小系统内部状态量耦合紧密，而小系统之间则呈现弱耦合的关系。这就启发我们如果能够将高维的复杂系统刚性方程分解为几个独立的低阶方程，或者弱耦合的低阶方程，就可以大大减少运算量。如果能把复杂大系统分解为相互独立的低阶系统，各系统按照最合适的算法和步长分别进行计算，当然是最理想的。更进一步，分解得到的低阶子系统是非刚性系统，那就可以采用显示算法进行计算，这就更理想了。即使分解得到的低阶子系统仍然是刚性系统，由于方程维数的降低，相应的计算量将会成指数下降。一般来说，刚性复杂大系统分解得到的子系统仍然存在一定的弱耦合关系，从仿真模型的角度出发，就是子模型与其他模型有部分数据的交互关系。根据不同的仿真目的，可以有不同的系统分块方法。如果系统分块合理，则可以将快变部分（惯性时间常数小）的划分到一个模块，慢变部分（惯性时间常数大）的划分到一个模块。比如文献[63]将双馈风力发电机（DFIG）划分到快变模块，电网模型划分到慢变模块。快变部分采用较小的仿真步长，慢变部分采用较大的仿真步长，这样就能提高仿真的数值稳定性，提高仿真的效率，减少总的仿真计算量，这种算法称为刚性系统的多帧速算法。假设方程组(3-4)为刚性方程，且可以划分为快变和慢变两个子系统，则方程组(3-4)可表示为：dxgt(,,)xydt(3-6)dyut(,,)xydt式中，x为快变子系统的状态变量；y为慢变子系统的状态变量；t为时间。从等号右边的式子可以看出，两个子系统之间存在耦合关系，在计算过程中，需要进行状态量的传递。实时仿真必须采用定步长算法，假设快变子系统的仿真步长为h，慢变子系统的仿真步长为T。则T必须是h的整数倍，即Tnh，n为自然数，称为帧速比。图3-2为多帧速并行仿真示意图。快变子系第35页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现统以仿真步长h产生快数据序列x，对x每隔n个数据采样一次得到慢数kk据序列x，提供给慢变子系统进行计算。慢变子系统以仿真步长T产生快慢n数据序列y，对y进行插值得到快数据序列y，提供给快变子系统进行nnk计算。快数据yk快变子系统快数据x慢数据xnk仿真步长h采样器xgxyt(,,)慢数据y慢变子系统n插值器仿真步长Tyuxyt(,,)图3-2多帧速并行算法Fig.3-2Multirateparallelalgorithm3.1.4OP5600实时仿真计算机实时仿真计算机是指具有实时计算能力，配置A/D、D/A、D/D等多种输入输出接口，且能够满足硬件在回路仿真需求的计算机。与普通承担离线仿真任务的计算机相比，实时仿真计算机具有如下特点：一、强大的计算能力。我们建立的仿真模型一般属于复杂的连续动力系统，需要计算大量的加权求和、加权求积分、特殊函数以及非线性环节。虽然采用大步长算法、快速算法，能够改善计算速度，提高系统解算能力。但是，决定仿真计算机运算能力最为根本的，还是在于运算单元的硬件配置。如果运算单元CPU的主频高，缓存空间大，总线速率高，那么仿真计算机的运算能力就强。为了解决大规模系统解算问题，实时仿真计算机生产商采用的解决方案是配置多个并行计算的CPU单元，采用并行计算的仿真架构，通过对模型进行分块分解，将计算任务均匀分配到多个CPU中去。各个CPU运算单元之间数据交互的方式可以是共享存储空间，也可以采用超高速数据传输总线。目前，FPGA运算单元虽然也在实时仿真机中大量使用，但仅限于对输入输出信号进行采样调理的功能，为基于串行计算的CPU运算单元做辅助。由于FPGA技术日新月异，实时仿真计算机生产商也在关注另一种架构，即采用FPGA作为基本运算单元，在FPGA芯片内部就实现了并行计算处理。二、强大的I/O能力和专用接口设备。实时仿真的一个重要应用场合就是硬件在环仿真，需要接入实际的物理设备，现在还有一个应用趋势，就是接入功率放大器。为了满足这一要求，实时仿真计算机需要配置功能强大的A/D，第36页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现D/A，D/D模块和专用接口设备。这些设备能以极高的采样频率采集外部输入信号，并将其转换成数字量，通过高速数据总线传输到CPU单元参与运算；还要能够将CPU运算产生的输出量稳定可靠地输出到接口，送给外部设备。为了满足大型实时仿真的需要，需要配置几十路甚至上百路A/D，D/A，D/D信号。实时仿真计算机生产商目前的解决方案是，采用FPGA板卡对输入输出信号进行调理，以扩展槽的方式根据用户需求灵活配置输入输出接口。I/O设备的处理能力不但要快、准、稳，还要能与CPU高速通信，这就要求实时仿真计算机配置与高速I/O相匹配的高速I/O数据传输总线。三、精确的可编程实时时钟。为了能够让仿真时空中运行的仿真模型与自然时空中的物理设备无缝对接，需要有精确可靠的实时时钟作为时间中介。由于现在的仿真计算机计算步长可以设置到us级别，这就要求实时时钟与自然时间的误差应该在ns级别。精确可靠的实时时钟是控制仿真模型计算步长和计算时间，确保仿真模型和外接实物实时同步控制的有力手段。OP5600实时仿真计算机（以下简称OP5600）是由加拿大Opal-RT公司研发的产品。该公司主要致力于提供实时仿真解决方案和硬件在环测试系统，其核心软件产品为RT-LAB。主要产品包括OP4500，OP5600，OP6000，OP7020系[64]列实时仿真器，以及RT-LAB，RT-EVENTS等仿真应用软件。OP5600如图3-3所示，机身小巧，可直接放置在桌面上、架子上或者安装在标准机柜上。它包含强大的计算单元、高效的前置处理器和信号调理模块。采用标准的电气接口（如DB37，RJ45和mini-BNC），所以无需额外的适配板卡。OP5600机箱的前面板提供观测信号的通道接口，机箱的后面板提供FPGA板卡编程接口以及所有的I/O接口、电源线。机箱内部分为上下两层，在标准配置中，机箱内室的下层包括功能强大的运算单元。机箱的上层部分包括信号观测模块和高速的前置处理器。图3-3OP5600实时仿真计算机Fig.3-3OP5600realtimesimulatorOP5600的硬件架构如图3-4，它的运算单元由2块Inteli7处理器（CPU）组成，每个CPU的主频为3.46GHz，各包含6个核（Core），所以整个OP5600仿真计算机共有12个核，协同执行并行计算任务。本实验室OP5600配置了4个PCI-E总线接口和2个PCI总线接口，以及4块16通道模拟量输出板卡第37页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现（OP5330）、2块32通道数字量输入板卡（OP5353）。ML605FPGA板卡负责管理输入输出接口，与CPU通过PCI-E总线进行通信。OP5600支持的板卡型号如下：OP5330:16路模拟输出通道，输出采样高达1MS/s，16位分辨率；OP5340:16路模拟输入通道，输入采样率高达500ks/s,16位分辨率；OP5353:32路数字输入通道，采样频率为10MS/S；OP5354:32路数字输出通道，采样频率为40MS/S。1OP533016AO2OP533016AO3OP533016AO4OP533016AO5OP535332DI6OP535332DIML605FPGAML605AdapterCPU14GB6CoresPower115V-230VCPU14GB6Cores1PCI-E2.0x82PCI-E2.0x83PCI-E2.0x84PCI-E1.0x45PCI33MHz6PCI33MHzOP56003.46GHz图3-4OP5600硬件架构Fig.3-4HardwarearchitectureofOP5600OP5600的FPGA板卡可以有两种配置，一种是采用XilinxSpartan3XC3S500FPGA（OP5142），另一种是采用XilinxVirtex6FPGA（ML605），二者的功能比较见表3-1。如果系统配置为ML605板卡，则最多有6个输入输出卡槽可用。如果系统配置为OP5142板卡，则最多有8个输入输出卡槽可用。ML605板卡功能更为强大，支持更多的用户IO，具有更多的逻辑单元。在RT-LAB仿真系统中，ML605不但可以用来管理IO，还可以承担模型计算任务。而OP5142只能用来管理IO。于是在风电场实时仿真平台选型的时候，我们选择了ML605配置。表3-1Spartan3和Virtex6的比较Table.3-1ComparisonofSpartan3andVirtex6千兆位逻辑支持的时钟BlockMicroBlaze特性用户IO乘法器高速PCIE单元IO标准管理RAM软核串行超过高达25*18个6.5支持Virtex-67600001200PLL支持40种38MbMACGbpsx8Spartan-5300051920DCM1.8Mb18*18无无支持3A第38页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现OP5600实时仿真计算机作为RT-LAB实时仿真系统的下位机（Target），需要运行QNX或者RedhatLinux实时操作系统。根据仿真系统的规模，可以灵活配置下位机台数，增加OP5600台数进行更大规模的并行计算。上位机和下位机之间通过TCP/IP以太网进行通信，下位机之间通过IEEE1394火线进行通信。OP5600通过模拟/数字IO接口与真实物理效应设备相连，构成硬件在环或者快速控制原型系统。OP5600还可以作为扩展I/O机箱（此时机箱内没有CPU单元），利用PCIe扩展总线或PCIe光纤与其它计算机互连。采用PCIe扩展总线最大允许距离为2m；采用PCIe光纤最大允许距离为2km。3.1.5RT-LAB实时仿真软件RT-LAB是一款实时仿真应用软件，由加拿大Opal-RT公司开发，一般与该公司研发的实时计算机配合使用。RT-LAB需要同时安装在上位机和下位机上。[65]其主要特点包括：1.与Matlab/Simulink仿真平台充分集成，只要会使用Simulink就能对RT-LAB迅速上手，使用户能移植原有软件使用的经验；2.特殊的软件模块用来实现分布式计算的内部通信和I/O数据传输；3.RT-LAB提供了一种均衡负荷的机制，用户只要做部分设置，就能将模型划分为多个模块，送入多个核中并行计算；4.与第三方建模环境和用户代码库充分集成。RT-LAB支持StateFlow，StateMate，CarSimRT，GT-PowerRT，AMESim，Dymola，合法的C，C++，FORTRAN代码；5.拥有完整的API，支持用户开发自己的应用，运用LABVIEW，C，C++，VisualBasic，TestStand，Python和3D虚拟现实工具，能够生成自定义功能和自动测试接口；6.RT-LAB提供了内部处理器之间数据的无缝传输，使用UDP/IP和内存共享技术，实现目标处理器通信的超短延时；7.XHP模式能提高电力系统仿真效率。模型分割是整个并行仿真系统的核心思想。如果仿真模型较为复杂，无法在单个处理器上实时运行，通过RT-LAB提供的工具能够方便地把仿真模型分割成几个规模较小的子模型，然后在多个处理器上并行处理这些子模型。在一个计算步长内，计算机系统不但要解算仿真模型，还要管理任务，如读写I/O、刷新系统时钟、处理通讯，这就限制了用于解算仿真模型的系统资源，从而限制了单处理器上计算模型的大小。RT-LAB通过优化资源配置，降低了管理任务占用的系统资源，提高了计算复杂模型的能力。Simulink模型需要按照RT-LAB的要求进行一定的改造，才能运行在仿真平台上。需要把整个仿真模型分为几个模块封装起来，使各个模块之间只存在简单第39页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现清晰的数据输入输出关系。RT-LAB允许把模型中的变量设置为全局变量。当模型生成的实时代码在下位机中运行时，可以通过上位机的监视界面与模型进行数据交互，实现信号观测和在线调参的功能。如图3-5，在RT-LAB里，所有的顶层子系统的命名都含有一个前缀，以区分它们的功能：―SC_‖表示控制台子系统，一个模型中只能有一个控制台，用来查看数据和在线调参；―SM_‖表示主计算子系统，一个模型中只能有一个主计算子系统；―SS_‖表示从计算子系统，一个模型里可以有多个从计算子系统。每一个SM或SS模块占用实时仿真器OP5600的一个计算单元（Core）。Opcomm是Opal-RT公司开发的建模模块，作用是实现下位机之间的实时同步通信，以及下位机和上位机之间的异步通信。每个子系统（SC、SM、SS）都要有自己的Opcomm模块。sc_user_interfacesm_modbusss_subsystem图3-5RT-LAB实时仿真软件模块Fig.3-5BlocksforRT-LABreal-timesimulationsoftware3.2风电场实时仿真平台的设计与实现3.2.1总体设计风电场实时仿真平台如图3-6所示，包括风电场SCADA监控系统-虚拟风电场和RT-LAB上位机-下位机两大部分。虚拟风电场模型是整个硬件在环仿真系统的核心，其主要功能是实现包含100台DFIG的风电场模型的实时仿真计算；风电场监控系统作为风电场管理平台，可以监视风电场当前运行状况，对采集上来的风电机组数据进行处理，并以报表或图像的形式呈现给风电场管理人员，还能根据控制需求下发调度指令到各风电机组。RT-LAB上位机可以对风电场模型进行编辑、编译，并下载到RT-LAB下位机上实时运行。RT-LAB下位机可以采用共享内存机制上传数据到上位机进行观测。第40页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现虚拟风电场对外提供标准接口，除了可以连接本实验室的风电场控制器，还对满足标准接口的其它厂家的风电场控制器及场站控制器开放，允许其接入虚拟风电场进行测试和实验。风电场实时仿真平台的组成和通信系统详细情况见3.2.2和3.2.3节。虚拟风电场模型运行在RT-LAB下位机OP5600的计算单元上。OP5600集成了2块Inteli7处理器和数字模拟IO接口，以及标准的以太网、VGA等通信接口。在RT-LAB上位机编辑好风电场模型后，编译、下载至OP5600实时仿真计算机运行，在模型运行过程中，既可以通过数字量、模拟量IO接口跟外部进行通信，又可以通过标准以太网接口和外部进行通信。虚拟风电场将诸如有功、无功、转速、风速等状态量按一定的发送频率（根据实际风电场SCADA系统情况设置为1Hz）上传至外部风电场监控系统。进行分析处理，然后将有功、无功等调度指令下发至各风电机组及无功补偿装置。风电场SCADA监控系统RT-LAB上位机模型观编测辑数遥调：DFIG有功、无功控制指遥信：DFIG投切状态等Modbus/编据令，升压变抽头调整指遥测：DFIG有功、无功、电TCP译上令，SVG控制指令等通信协议压、转速、风速，下传遥控：DFIG投切等SVG无功、电压等载RT-LAB下位机4GBCPU1内存6CoresCPU14GB6Cores内存3.46GHz含100台DFIG的虚拟风电场图3-6风电场实时仿真系统组成Fig.3-6Componentsofwindfarmreal-timesimulationsystem该仿真平台具备3个主要功能：科研：风电场实时仿真平台以某大型风电场为建模原型，支持100台双馈机组模型（非聚合模型）的实时仿真，可将数字仿真风电场的运行结果与实际风电场历史数据进行对比，可以验证风电场数字仿真模型的合理性；通过跟聚合风电场模型的仿真结果进行对比验证，可以证明聚合风电场建模的合理性；结合风电场监控系统，还可以验证新型的有功、无功控制等风电场控制策略；接第41页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现入场站控制器，可以测试控制器的有效性、稳定性；能够进行机组的主控制器及变换器控制器的硬件在环实验，如图3-7，对控制器软硬件进行充分测试。展示：可以展示风电场画面和单机画面，风电场画面显示每台风机的运行状态和风速、转速、功率等数据；单机画面显示风电机组的实时运行状态和实时数据。图形画面包括功率曲线、趋势图、风玫瑰图等。可以按照查询的起始时间和终止时间对图形进行在线编辑、修改、定义、生成。同时，功率曲线和趋势图谱具备多台风机对比功能。通过风电场监控后台的显示屏幕，可以像监控实际风电场一样，了解虚拟风电场的当前运行状况及过去历史数据。还可以通过上位机的数据观测界面或真实的示波器查看实时电压、电流等物理量的波形。培训和教学：风电场实时仿真平台可以作为风电场操作人员的仿真培训系统（TrainingSimulator）和高校的教学平台。该仿真平台使用的SCADA软件和操作界面完全模拟真实风电场。操作人员不但可以在该平台上迅速熟悉风电场的各种常规操作，学习数据观测、处理、发布功能，根据风电场当前运行状态及调度要求下发指令，还可以设置虚拟仿真场景模拟风电场故障进行紧急操作学习。高校教学应用该平台，可以学习了解实际风电场的运行状况和操作情况，学习风电机组的建模，设计符合风电场工程实际要求的控制策略和控制算法。齿轮箱发电机ABC风变压器力机Crowbar转子网侧侧变变换换器器MainControllerRT-LABConverterController图3-7风电机组控制器硬件在环Fig.3-7DFIGControllershardware-in-the-loop3.2.2风电场实时仿真平台的组成风电场实时仿真平台硬件组成如图3-8、图3-9，具体规格见附表2。OP5600是拥有2块Inteli7处理器（CPU），包含12个核的实时仿真计算机，也是RT-LAB实时仿真系统的下位机，运行RedhatLinux实时操作系统。RT-LAB上位机是拥有Intel4core，运行Windows操作系统的普通PC机。高级算法服务器、SCADA服务器在硬件组成上是一样的，都是运行WindowsServer2008的HPProLiant系列服务器。SCADA工作站是运行Windows7Professional第42页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现的联想ThinkStationE32系列小机箱工作站。服务器和工作站的选型参考了实际风电场SCADA监控系统。SCADA服务器运行商业化的风电场SCADA监控系统，该系统除了提供人机交互界面、数据存储和处理功能以外，还有自动发电控制（AGC）、自动电压控制（AVC）功能，可以将全场调度指令按一定的分配规律，进行算法优化，得到每台风电机组的控制指令，下发至虚拟风电场。采用该系统是为风电场实时监控系统提供可视化见面，同时服务于教育培训目的，为学习了解真实风电场监控系统、进行风电场监控调度员培训提供有效的工具。但这种商业化运营的产品，出于知识产权保护的目的，并不对外开放源代码，研究人员无法对内部AGC、AVC算法进行修改。于是有必要增加一个高级算法服务器，实现研究人员自定义的风电场算法功能。在RT-LAB上位机上建立控制策略模型，编译转化成实时代码，下载到高级算法服务器，此时高级算法服务器作为RT-LAB实时仿真系统的另一个下位机。Windows是一个多任务多进程操作系统，为了实现实时仿真，RT-LAB提供了一种资源占用机制：在一个仿真步长内，赋予实时仿真进程最高的优先级，抢占Windows计算资源，当实时仿真计算结束后，才释放出多余的资源赋给其他进程。由于高级算法服务器仅仅实施风电场整体算法，高级算法服务器的计算能力是能满足这一需求的。展示屏操作屏操作屏VGAVGAVGA高级算法SCADASCADA服务器服务器工作站IP:Adr3IP:Adr4IP:Adr5TCP/IP交换机VGART-LAB下位机RT-LAB上位机操作屏IP:Adr1IP:Adr2图3-8风电场实时仿真平台的硬件架构Fig.3-8Hardwarearchitectureofwindfarmreal-timesimulationplatform第43页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现OP5600实时60寸展示屏幕仿真计算机SCADA服务器高级算法服务器工作站显示器显示器图3-9风电场实时仿真平台照片Fig.3-9Pictureofthewindfarmreal-timesimulationplatformRT-LAB下位机OP5600、RT-LAB上位机、高级算法服务器、SCADA服务器、SCADA工作站连接在同一台D-Link交换机上（IP地址需设置在同一网段，本实验室统一设置为192.168.10.X，子网掩码为255.255.255.0的网段），组成通信局域网。RT-LAB上位机通过VGA接口连接一台24寸显示器，在RT-LAB实时仿真软件上实现模型编辑、控制编译过程和数据观测的功能。高级算法服务器通过VGA接口连接一台24寸显示器，作为高级算法服务器的人机交互界面，实现高级算法的编程功能。SCADA工作站通过两个VGA接口连接至一台24寸显示器和60寸液晶显示器，前者用来作为风电场监控操作的人机交互界面，后者用来实现风电场参观展示功能。3.2.3风电场实时仿真平台的数据通信在RT-LAB上建立虚拟风电场（包括风电机组、变压器、线路、无功补偿装置等）的模型，这些模型的电气参数及主接线方式参考某大型风电场实际情况，见第2.3节。RT-LAB下位机OP5600具有数字量模拟量通道以及标准网络通道，支持TCP/IP及基于TCP/IP的Modbus协议。OP5600按时间间隔Ts=1s将各台风机的有功功率、无功功率、机端电压、桨距角、转速、风速等物理量通过网络接口，送至后台风电场监控系统。风电场监控系统通过网络接口下发有功功率、无功功率（或者功率因数）等调度指令，控制风电机组的运行。风电场实时仿真平台通信系统如图3-10。虚拟风电场模型实时运行于RT-LAB下位机OP5600上，其IP地址为Adr1。RT-LAB上位机的IP地址为第44页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现Adr2。上位机和下位机之间通过TCP/IP协议进行信息交互：上位机建立的风电场Simulink仿真模型通过TCP/IP协议传送至下位机执行；下位机将风电场实时运行过程中的信号量，以较高的传送频率送至上位机观测软件，所以在上位机界面上可以看到电压电流的连续波形。此时上位机的观测软件就相当于一个高采样频率的数字示波器。RT-LAB下位机还将风电场内风电机组、SVG、关键节点的信号量按时间间隔1s传送到SCADA服务器（IP地址为Adr4）。SCADA工作站（IP地址为Adr5）从SCADA服务器接收有功、无功、变压器抽头位置等遥信、遥测量，并将遥控、遥调量下发至SCADA服务器。SCADA服务器在转发工作站遥控、遥调量的同时，按一定的时间间隔下发自身AVC、AGC控制模块生成的控制指令。高级算法服务器（IP地址为Adr3）是为了实现研究人员自定义的高级风电场控制算法而设置的。RT-LAB下位机可以以1Hz或者更高的发送频率，向高级算法服务器发送风电场数据。这样就可以研究提高数据发送频率，是否可以优化风电场的控制。如果高级算法服务器启用AVC、AGC控制模块，则SCADA服务器的AVC、AGC控制模块禁用。二者是互不相容的关系。高级算法服务器生成的控制指令经由SCADA服务器转发至虚拟风电场。遥控遥调高级算法AVCSCADASCADA服务器AGCModbusAVCTCP工作站服务器AGCIP:Adr3IP:Adr4遥信遥测IP:Adr51HznHzModbusModbusDFIG、SVG控制量关键节点、无穷大RT-LABDFIG、SVGu电网下位机s状态量系统阻抗IP:Adr1模型110kVSimulink下载CPUs模型LGJ-240LGJ-240TCP20Mvar10km10km20MvarRT-LABSVGSVG110kVⅠ段110kVII段上位机IP:Adr2观测数据110/35kV110/35kV上传共享35kVⅠ段35kVⅡ段ScopeTCP内存A10E10F10J10A2E2F2J2A1E1F1J11002MWDFIG台图3-10风电场实时仿真平台的通信架构Fig.3-10Communicationarchitectureofwindfarmreal-timesimulationplatform第45页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现3.2.4风电场实时仿真平台的人机交互界面实时仿真平台的人机交互界面如图3-11、图3-12。在RT-LAB操作界面上可以建立工程文件夹，添加mdl模型文件。按照编辑模型、设置编译环境、编译模型、设置执行环境、下载模型、运行模型的顺序依次进行操作。通过该界面可以查看编译信息，观察实时仿真过程中实时仿真计算机资源利用情况，还可以对部分参数进行在线调整和实时观测。模型编辑界面就是Simulink用户交互界面，只是在左边的模型库中增加了一些RT-LAB实时仿真软件自定义的模块，如Opcomm模块。而在SCADA人机交互界面中，操作人员可以实时观察整个虚拟风电场的运行数据以及每台风电机组的当前数据和历史数据。还可以通过图形曲线的形式观测上传信息量的变化，图形画面包括功率曲线、趋势图、风玫瑰图等。另外，该SCADA系统还具有报表生成和数据统计功能。操作人员按照查询的起始时间和终止时间对图形进行在线编辑、修改、定义、生成，以及控制指令的下发。图3-11RT-LAB人机交互界面Fig.3-11GraphicaluserinterfaceforRT-LAB第46页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现图3-12SCADA人机交互界面Fig.3-12GraphicaluserinterfaceforSCADA3.2.5虚拟风电场仿真模型RT-LAB实时仿真平台采用上位机-下位机结构，用户在上位机的图形界面进行风电场模型的建立、编辑、修改以及仿真条件设置。本文建立的风电机组模型如图3-13所示，风电机组接收风速（V1）、有功功率参考值（P_ref）、功率因数参考值（cos）或者无功功率参考值（Q_ref）三个信号输入量，同时在信号观测口m输出风电机组发出的有功功率、无功功率、机端电压幅值、发电机转速、桨距角和风速六个信号输出量。该模型通过Simulink提供的受控电流源模块，将信号量转换成电气量，与A、B、C三个电气接口相连。由于Simulink仿真中不允许电流源直接和电感相连，为了能让风电机组连接到使用阻抗模块模拟的集电线路上，组成风电场仿真运行，需要在风电机组出口处接一个阻容负载，该负载与风电机组容量相比较，可忽略不计。对于采用电力电子开关模型的风电机组，该阻容负载模拟的是变换器出口的滤第47页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现波器。（a）中的windturbine是2MW风力机模型；（b）中的mechanicalpart是两质量块的传动链模型；（c）中的DFIG和Grid_side_converter模块，模拟的是双馈发电机和网侧变换器；（d）中的模块模拟的是直流母线环节；（e）中的pitchcontrol是变桨模块；（f）（g）中的Rotor_side_control和Grid_side_control分别是转子侧变换器和网侧变换器的控制模块，其中Q_regulator将功率因数参考值或者无功功率参考值转化为网侧变换器d轴分量的参考值；（h）中的VsqOrientation是坐标系转化模块。由于OP5600总共就只有12个核，在XHP运行模式下，可供我们使用的核实际上只有11个，要腾出一个核进行仿真计算的协调控制。于是根据现有资源条件，拟建立的风电场模型划分为11个子系统，其中10个子系统运行带风电机组的集电线路模型，每条集电线路汇聚10台双馈风电机组，另一个子系统是电力系统模型，包括升压变压器模型、SVG无功补偿装置模型。集电线路仿真模型见图3-14，包含100台双馈风电机组的风电场实时仿真模型如图3-15所示，SM_Power_System模块运行电力系统模型，包括信号传输模块、升压站主变压器和无功补偿装置SVG，10条集电线路汇聚到变压器低压侧的两条母线上。SS模块和SM模块中间通过Stubline线路进行连接，这种线路是专门用于跨模块电气接口衔接时使用的，采用解耦机制，将大规模电力系统分解成了小规模子系统。SS_1至SS_10分别对应一条集电线路，其内部具体模型如图3-14所示。风电机组经变压器升压后，连接到LGJ-185集电线路上，汇聚成一点送出。内部还有信号输入输出模块，特别注意在信号传输模型中频繁使用了Memory存储模块，这是利用RT-LAB进行实时仿真建模的一个小技巧，可以解决代数环报错问题和部分输入输出信号报错问题。图3-13双馈风电机组仿真模型Fig.3-13DFIGsimulationmodel第48页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现图3-14集电线路仿真模型Fig.3-14Feederlinesimulationmodel图3-15风电场仿真模型Fig.3-15Windfarmsimulationmodel3.3风电场模型的仿真验证3.3.1风电机组的全工况仿真双馈风电机组在并网、最大功率跟踪、低电压穿越、接收有功无功调度指令、解列等不同工况下的主要物理量随时间变化的波形如图3-16所示，u为直dc流母线电压，为电机转速，为桨距角，u为机端电压矢量幅值，P、Q为rs风力发电机组发出的有功功率、无功功率，负号表示功率从机组流向电网，ir为转子三相绕组电流，i为定子三相绕组电流。本文中双馈风力发电机组额定s风速为12m/s，为便于比较各工况的运行状态，该仿真中风速恒为10.5m/s。启动时，桨距角保持在15°位置，在风力推动下，电机转速上升。转速升至第49页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现0.6pu，转子侧变换器对电机励磁，使电机定子电压幅值、相角、频率接近电网电压。当转速升至0.7pu，且定子电压满足并网要求时，定子侧断路器闭合，实现机组并网，并网时刻为t=3.31s。然后双馈风电机组根据最大功率跟踪控制策略，调整转速至最大功率跟踪点，有功功率P达到10.5m/s风速下的最大值0.645pu。在t=11s，风力发电机组机端电压跌落至0.2pu，持续时间100ms。在低电压穿越期间，Crowbar保护电路投入，转子侧变换器闭锁，无法发挥作用，但转子电流控制器的积分环节仍然在起作用，为了防止转子侧变换器重新投入时，控制器处于积分饱和状态，需要在转子侧变换器重新投入的同时对积分环节进行重置(reset)。检测到直流母线电压大于1.1pu，Crowbar保护电路投入，将转子短接。由于直流母线电压并未超过1.12pu，卸荷保护电路未投入。在t=11.13s，Crowbar保护电路退出，风力发电机组重新恢复至最大功率跟踪状态。在t=15s，风电机组接收上级下发的调度指令，要求发出0.5pu有功功率，以及0.25pu无功功率。由于0.25pu无功功率在定子所能发出的无功功率极限以内，所以无功功率完全由定子侧提供。该过程中风力发电机组发出的有功功率小于机械功率，导致电机转速上升，转速超过1.2pu后，变桨环节起作用，将转速限制在1.2pu。在t=25s，风力发电机组进入解列程序，定子电流迅速降到零附近，然后在t=25.4s断路器动作，将定子与电网脱离开来。同时桨距角以10°/s的速率调整到90°位置，防止电机飞车。图3-17、图3-18、图3-19、图3-20分别为并网、低电压穿越、接收调度指令、解列工况下的局部放大图。u(p.u.)dc(p.u.)r()u(p.u.)sQPQ(p.u.)Pi(p.u.)ri(p.u.)st(s)图3-16全工况Fig.3-16Overalloperatingconditions第50页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现QPQ(p.u.)Pi(p.u.)ri(p.u.)st(s)图3-17并网Fig.3-17GridconnectionQPQ(p.u.)Pii(p.u.)rarirbircisbii(p.u.)scsisat(s)图3-18低电压穿越Fig.3-18LVRTQPQ(p.u.)Pi(p.u.)ri(p.u.)st(s)图3-19指令控制Fig.3-19DispatchordercontrolQPQ(p.u.)Pi(p.u.)ri(p.u.)st(s)图3-20解列Fig.3-20Cuttingoff第51页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现3.3.2风电场的运行仿真本小节仿真中采用的风速是平均风速与白噪声序列通过线性滤波器得到的随机风速的叠加，即2.3.3节风速模型。为便于测试风电场模型的合理性，设置各机组处于相同的风况。考虑各机组风况差异及风速相关性的研究将在第4章中给出。3.3.2.1最大功率跟踪控制双馈风电场模型按最大功率跟踪控制（MaximumPowerPointTracking，MPPT）发电的仿真结果如图3-21所示。图3-21（a）为单台风电机组发出的有功功率和无功功率随时间变化的波形，由图可见，双馈风电机组按单位功率因数方式运行。当风速过大时，风电机组在恒功率段运行，同时变桨动作，将发出的有功功率限制在额定功率2MW。图3-21（b）为风电场PCC点有功功率和无功功率随时间变化的波形，风电场输出的有功功率随风速变化，由图可见，有功功率的波动，引起了无功功率的波动，当风电场有功出力增大时，系统对风电场提供的无功也增大。图3-21（c）为单机机端电压和风电场PCC点的电压标幺值，风速的随机变化造成风电场输出功率的随机变化，进而引起电压的波动，由图可见，机端电压比PCC点电压波动剧烈。VPCCV690p.u.MW/PPCCQPCCMVarMW/MVarP690Q690t(s)图3-21按最大功率跟踪控制发电Fig.3-21GenerationwithMPPTstrategy第52页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现3.3.2.2有功指令控制当风电场送出断面潮流受限制时，风电场接受来自调度中心的指令，经过计算后将指令下发至各机组。如图3-22所示，实线表示按最大功率跟踪控制发电的情况，虚线表示最大有功出力减少至额定值70%的情况。风电机组按单位因数功率方式运行，通过调节桨距角，限制气动功率的大小，从而限制输出的有功功率。图3-22（a）表示单机输出的有功功率随时间变化的波形，图3-22（b）表示PCC点的无功功率随时间变化的波形，图3-22（c）表示PCC点的有功功率随时间变化的波形。PPCC（MW）MPPT限功率MPPT限功率QPCC（MVar）P690（MW）MPPT限功率t(s)图3-22按调度指令发电Fig.3-22Generationwithdispatchingorders3.4本章小结本章首先对RT-LAB实时仿真系统进行介绍，包括实时仿真中的时间概念、算法选择和多帧速算法，以及OP5600实时仿真计算机和RT-LAB实时仿真软件。然后设计和实现了风电场实时仿真平台，包括总体设计规划、平台组成、数据通信系统和人机交互界面以及虚拟风电场的仿真模型，为第4章的仿真分析奠定研究基础。最后对单个风电机组进行了全工况仿真，对风电场进行最大功率跟踪控制和有功指令控制验证，仿真结果表明所建立的风电机组模型能正确反映机组在最大功率跟踪控制、有功无功指令控制、并网解列控制下的动态特性，所建立的风电场模型能满足风电场功率控制的要求。第53页 上海交通大学工学硕士学位论文第3章基于RT-LAB的风电场实时仿真平台的设计与实现第54页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析第4章风电场无功电压控制仿真分析4.1风电场电压波动特性分析风力机的能量输入具有随机性、间歇性、波动性，所以风电机组发出的有功功率也具有较强的波动性。在风电场内部，这种快速变化的功率潮流使集电线路和变压器上的电压降不断变化，进而引起风电机组机端电压的不断变化。如果部分机组位于风电场末梢电网，与中枢节点的电气距离较远，可能导致机端电压超过允许范围。在风电场并网点处，这种快速变化的功率潮流会导致无功功率伴随有功功率的变化而不断波动。在风电场出力大时，风电场内部无功损耗增多，送出线路上有功无功功率的大量交换，导致电压降落大，并网点电压降低。风电场无功电压波动情况与风电机组的类型、风电机组控制策略、风电场接入电网强弱、无功补偿情况等因素密切相关，需要根据具体问题具体分析。如果风电场并网点为电力系统枢纽变电站，且风电场送出线路距离较短，则快速变化的功率潮流对风电场电压影响较小；如果风电场并网点处于电网末梢，且风电场送出线路距离较长，则快速变化的功率潮流对风电场电压影响较大。在电力系统分析研究中，采用短路容量作为系统强弱的标志。电力系统中某个节点的短路容量是该点的额定电压、三相短路电流和系数的乘积。短路容量大，表明该点与电力系统电源联系强，电压受潮流影响小；短路容量小，表明该点与电力系统电源联系弱，电压受潮流影响大。风电场电压还与自身规模相关，如果风电场额定容量很小，即使是接入弱电网，电压波动也不大；如果风电场额定容量非常大，接入强电网中也会有明显的电压偏移。短路容量比SCR是公共接入点短路容量与风电场额定容量之比，SCR值大表明系统较强，SCR值小表明系统较弱。根据理论研究和实践经验，依据SCR值对短路比高低进行划分：SCR>5高，SCR=3~5中等，SCR<2低。在当前风电场中，大部分双馈风电机组和永磁直驱风电机组的控制策略是：设置风电机组出口功率因数为1或者箱变出口功率因数为1。通过本章的讨论将会看到，当风力机组按单位功率因数运行时，在较大出力情况下，风电场内部无功损耗较大，导致风电场整体功率因数降低，并网点电压恶化。如果能充分利用机组无功发生能力，则可以改善风电场无功电压情况。本小节建立的风电场仿真模型的等值电路图如图4-1所示。实际中集电线路并不都是链式成串连接，如图2-5，可能在一串风电机组的中间部分抽出，为了模拟最严重的电压分布情况，本文设置为链式，这样一串馈线上第一台机组与最后一台机组的电压将具有最大差异，也最容易造成末梢机组电压问题。SVG先不投入使用，风电机组不提供无功，功率因数设置为1。需要说明的是：PCC点指330kV变电站低压母线，并网点指风电场升压站第55页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析变压器高压侧，即图4-1中110kVI段和II段。无穷大电源u取值对仿真场景设s定有重大影响，而根据《国家电网公司风电场接入电网技术规定》对风电场并网的要求，风电场应保持并网点电压在-3%~+7%范围之内，所以本文设置u取值，s尽量使风电场在零出力时并网点电压和满发时的并网点电压的代数平均值是1.02pu。同一条集电线路上的风电机组等间距分布，相隔400m。风电场升压站通常位于风电场中心，本文中参考实际风电场，连接机组A10~J10至35kV母线的线路长度分别为6km、5km、4km、4.5km、1.5km、0.5km、1km、2.5km、4.5km、5.5km、6.5km。典型的风电场送出线路（110kV）长度为5-30km，图4-1中LGJ-240送出线路的长度设置为10km，110kV和35kV分段母线的母联断路器常开。无穷大us电网系统阻抗330变电站低压母线110kVPCCLGJ-240LGJ-24020Mvar10km常开10km20MvarSVGSVG110kVⅠ段110kVII段110/35kV110/35kV100MVA100MVA常开35kVⅠ段35kVⅡ段A10B10C10D10E10F10G10H10I10J10A2B2C2D2E2F2G2H2I2J2A1B1C1D1E1F1G1H1I1J135/0.69kV2MW35/0.69kV2MW图4-1风电场等值电路Fig.4-1Equivalentcircuitofwindfarm风电场与电力系统电源u的联系强弱，不仅与系统阻抗（对应于短路容量）s相关，还与送出线路的阻抗相关，如图4-1所示。如果系统短路容量较小，即系统阻抗较大，则风电场与电力系统电源的联系比较弱；但反过来，如果系统短路容量较大，即系统阻抗较小，则风电场与电力系统电源的联系不一定就强，还需要考虑送出线路的阻抗。本文中强连接表示风电场与电力系统电源电气距离较小、联系较强；弱连接表示风电场与电力系统电源电气距离较大、联系较弱。4.1.1风电场强连接到电网对该风电场进行潮流计算，按照风电机组出力为0%，25%，50%，75%，第56页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析100%，得到同一条集电线路上电压最大、最小机组的机端电压幅值，35kVI段、II段母线电压，升压变高压侧110kVI段电压，升压变高压侧110kVII段电压。设置短路容量3000MVA，短路容量比SCR=15，u=112.76kV。所得结果如s表4-1。因为这个风电场总共有100台风力发电机组，在列出仿真波形图的时候，不可能逐一列出，需要找到典型机组。从表中数据我们可以找出风电场内部电压最高的机组J1和电压最低的机组E10。我们还可以从数据中观察得知，风电场电压随着有功出力的增大，电压先上升，然后才下降，并不是单调下降的。在风电场从零出力到满发的过程中，风电场并网点电压波动很小，最大电压与最小电压之差约为1%。说明风电场强连接到电网，即使风电机组按照单位功率因数运行也具有较好的电压运行水平。表4-1风电场强连接到电网的电压情况Table.4-1Voltagesofwindfarmstronglyinterconnectedtopowersystem母线电压/kV电压波电压波动项目出力出力出力出力出力动绝对比值%0%25%50%75%100%值/VA1707.0713.8716.8716.1711.29.81.42A线A10707.0713.0715.4713.9708.48.41.22B1707.0713.4716.1715.0709.79.11.32B线B10707.0712.6714.5712.7706.97.51.09C1707.0712.9715.2713.8708.38.21.19C线C10707.0712.1713.7711.7706.16.70.97D1707.0711.9713.2710.8704.66.20.90D线D10707.0711.1711.7708.7701.74.70.68E1707.1711.4712.3709.6703.05.20.75E线E10707.1710.7710.8707.4700.23.70.54F1707.1711.7712.7710.2703.55.60.81F线F10707.1710.9711.1707.9700.74.00.58G1707.0712.3713.9711.9705.86.91.0G线G10707.0711.5712.4709.7702.95.40.78H1707.0713.1715.5714.3708.88.51.23H线H10707.0712.3714.1712.0705.87.11.03I1707.0713.6716.3715.4710.29.31.35I线I10707.0712.8714.9713.2707.37.91.14J1707.0714.0717.2716.5711.610.21.48J线J10707.0713.2715.7714.3708.78.71.2635kVⅠ段35860359703592035690352806901.9735kVⅡ段35860359703591035680352607102.03110kVⅠ段11273011305011305011269011197010800.98110kVⅠ段11273011305011304011268011196010900.99第57页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析4.1.2风电场弱连接到电网对该风电场进行潮流计算，按照风电机组出力为0%，25%，50%，75%，100%，得到同一条集电线路上电压最大、最小机组的机端电压幅值，35kVI段、II段母线电压，升压变高压侧110kVI段电压，升压变高压侧110kVII段电压。设置短路容量600MVA，短路容量比SCR=3，u=118.4kV，所得结果如表s4-2。表4-2风电场弱连接到电网的电压情况Table.4-2Voltagesofwindfarmweaklyinterconnectedtopowersystem母线电压/V电压波电压波动项目出力出力出力出力出力动绝对比值%0%25%50%75%100%值/VA1742.0748.9743.1720.8663.885.112.33A线A10742.0748.1741.5718.7660.987.212.64B1742.0748.4742.3719.7662.486.012.46B线B10742.0747.7740.8717.5659.588.212.78C1742.0748.0741.5718.5660.987.112.62C线C10742.0747.3739.9716.3658.089.312.94D1742.0746.9739.4715.7657.289.713.0D线D10742.0746.2737.9713.4654.292.013.33E1742.0746.5738.7714.4655.591.013.19E线E10742.0745.8737.2712.3652.593.313.52F1742.0746.8738.9714.8655.990.913.17F线F10742.0746.0737.5712.7652.893.213.51G1742.0747.3740.2716.7658.389.012.90G线G10742.0746.6738.7714.4655.391.313.23H1742.0748.2741.8718.9661.386.912.59H线H10742.0747.5740.3716.8658.389.212.93I1742.0748.6742.5720.2662.885.812.43I线I10742.0747.9741.1717.7659.888.112.77J1742.0749.0743.3721.3664.284.812.90J线J10742.0748.3741.9719.0661.387.012.6035kVⅠ段3764037760372603593032850491014.0335kVⅡ段3764037760372603592032830493014.09110kVⅠ段1183001186601172201134401046701399012.64110kVⅡ段1183001186601172201134401046601400012.73第58页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析从表中数据我们可以找出风电场内部电压最高的机组J1和电压最低的机组E10。我们还可以从数据中观察得知，风电场电压随着有功出力的增大，电压先上升，然后才下降，并不是单调下降的。在风电场从零出力到满发的过程中，风电场并网点电压波动较大，最大电压与最小电压之差约为12.7%。根据《国家电网公司风电场接入电网技术规定》对风电场并网的要求，风电场应保持并网点电压在-3%~+7%范围之内。而根据潮流计算的结果可知该风电场从零出力到满发的过程中，电压超过了这一要求。说明风电场弱连接到电网，风电机组按照单位功率因数时电压受潮流波动影响较大，需要采取一定的调压措施来满足并网要求。根据潮流计算的结果可知，该风电场弱连接到电网时，电压波动较大，需要采取措施调整电压。所以把弱连接到电网的风电场作为本文的主要研究对象。以下进行仿真分析。设置系统短路容量600MVA，短路容量比SCR=3，u=118.4kV，s有载调压分接头位于+2.5%档位。由于风电场35kVI段母线和II段母线控制策略和仿真结果相近，为简明起见，仅列出一组结果，以下35kV、110kV均指的是35kVI段及其所连升压变压器高压侧110kVI段。（一）平均风速10m/s设置风电场模型仿真时间为2min，风速平均值为12m/s，风向为主导风向，风机前后不遮挡。风电场内部电压最高的机组J1的风速和有功功率见图4-2，该图表明J1的平均风速为10m/s，但瞬时风速会在平均风速上下变动，所以风电机组发出的有功功率也会随风速波动，在t=60s附近，风速超过额定风速12m/s时，风电机组有功功率被限制在了1.0pu。从图还可以看出，风力发电机组有功功率比风速曲线平滑，即风力机较大的时间常数具有滤波作用，能平滑机组的有功出力。图中还画出了110kV母线的有功功率，可以看出整个风电场的有功功率的波动比单个机组小，这是因为各个机组的风速输入虽然具有一定的相关性，但又有一定的随机差异，于是各风电机组有功出力叠加互补，整个风电场有功出力就变得更为平滑。图4-3是在10m/s平均风速下，升压变压器高压侧110kV、低压侧35kV母线及风电场内部电压最高的机组J1和电压最低的机组E10的电压变化曲线。从图可以看出主要节点电压随风速变化较大，在85s时并网点电压已超过1.07pu，这是国网并网要求所不容许的。从60s附近电压较低点，到85s电压较高点，只用了15s时间，这就要求风电场能有较快响应速度的无功控制策略和无功电压控制装置，如果仅仅改变升压变压器的抽头不足以应对这种频繁的电压变化。图4-4是升压变压器高压侧110kV电压和功率随时间的变化。虽然风电机组按照机端功率因数为1的策略进行控制，可是当风电场有功出力较大时，风电场第59页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析内部线路、变压器上的损耗也增大，送出线路负载加重，电压降落增大，于是风电场升压变压器高压侧110kV电压降低。这启发我们，可以通过提高风电场的功率因数，补偿线路、变压器上的无功损耗，来减小送出线路上的电压降落。J1风速p.u.110bus功率J1功率t(s)图4-2J1机组风速和功率(10m/s平均风速)Fig.4-2WindvelocityandpowerofJ1with10m/saveragevelocityE10电压110bus电压p.u.35bus电压J1电压t(s)图4-3主要节点电压值(10m/s平均风速)Fig.4-3Voltagesofkeynodeswith10m/saveragevelocity第60页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析110bus电压p.u.110bus有功110bus无功t(s)图4-4并网点电压和功率(10m/s平均风速)Fig.4-4Voltageandpowerofgrid-connectedpointwith10m/saveragevelocity（二）平均风速12m/s设置风电场模型仿真时间为2min，风速平均值为12m/s，风向为主导风向，风电场内部电压最高的机组J1的风速和有功功率见图4-5，J1的平均风速为12m/s，但瞬时风速会在平均风速上下变动，所以风电机组发出的有功功率也会随风速波动，风速超过额定风速12m/s时，风力发电机组有功功率被限制在了1.0pu。图4-6是在12m/s平均风速下，升压变压器高压侧110kV、低压侧35kV母线及风电场内部电压最高的机组J1和电压最低的机组E10的电压变化曲线。从图可以看出主要节点电压随风速变化较大，在60s时并网点电压已低于0.97pu，这是国网并网要求所不容许的。从60s附近电压较低点，到85s电压较高点，只用了15s时间。图4-7是升压变压器高压侧110kV电压和功率随时间的变化。虽然风电机组按照机端功率因数为1的策略进行控制，可是当风电场有功出力较大时，风电场内部线路、变压器上的损耗也增大，送出线路负载加重，电压降落增多，于是风电场升压变压器高压侧110kV电压降低。第61页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析J1风速p.u.110bus功率J1功率t(s)图4-5J1机组风速和功率(12m/s平均风速)Fig.4-5WindvelocityandpowerofJ1with12m/saveragevelocityE10电压J1电压110bus电压p.u.35bus电压t(s)图4-6主要节点电压值(12m/s平均风速)Fig.4-6Voltagesofkeynodeswith12m/saveragevelocity110bus电压110bus有功p.u.110bus无功t(s)图4-7并网点电压和功率(12m/s平均风速)Fig.4-7Voltageandpowerofgrid-connectedpointwith12m/saveragevelocity第62页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析通过以上两个仿真场景可以看出，风电场并网点电压随风速的变化，最低电压低于0.97，最高电压高于1.07，违反了国家电网对风电场的并网要求。这种电压变化是频繁而快速的，依靠改变升压变压器的抽头是无法满足快速响应的要求和频繁调整的要求的。如果升压变压器固定在某一个抽头，在变化风速情况下，并网点电压或者超过电压下限，或者会超过电压上限，需要与其它无功设备协调控制才能保证并网点电压满足要求。下一节将会讨论基于静止无功发生器SVG的并网点电压控制。4.2基于SVG的并网点电压控制4.2.1控制策略静止无功发生器SVG具有较快的时间响应速度（5ms左右）和受接入点电网电压影响较小的特点，是一种性能优良的无功补偿装置。其数学模型和内部控制策略已经在2.3.2节讨论过。风电场主接线方式对基于SVG并网点的电压控制有较大影响。如图4-8，该风电场35kV母线采用单母线分段形式，母联断路器常开，每段母线上连接20MVar的SVG，对于升压变高压侧的电压控制，应该采用独立控制策略，通过检测各高压侧的电压，与参考电压（1.02pu）进行比较，将差值送入死区环节，死区为[-0.01pu，0.01pu]，然后经过PI控制器生成无功指令参考值由SVG进行跟踪。设置死区环节是考虑到实际中，可以允许并网点电压在一定范围内波动，同时避免SVG的频繁调节和在参考点的振荡。生成的无功指令参考值还要经过限幅，避免超过SVG的无功发生能力。风电机组按出口处功率因数为1进行控制。SVG提供电压闭环控制维持并网点电压在可以接受的波动范围[1.01，1.03]。由于风电场35kVI段母线和II段母线控制策略和仿真结果相近，以下35kV、110kV电压功率指的是35kV母线I段及其所连升压变压器高压侧110kV母线I段。系统阻抗110kVVT1VT2us1us2**us1us235kVⅠ段35kVⅡ段死区死区**1Q1Q21Kp1(1)SVG1SVG2Kp2(1)Tsi1Tsi2图4-8基于SVG的并网点电压控制Fig.4-8Voltagecontrolofgrid-connectedpointbasedonSVG第63页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析4.2.2仿真分析设置风电场模型仿真时间为2min，风速平均值为12m/s，风向为主导风向，风电场内部电压最高的机组J1的风速和有功功率见图4-9，J1的平均风速为12m/s，风速超过额定风速12m/s时，风力发电机组有功功率被限制在了1.0pu。图4-10是在12m/s平均风速下，升压变压器高压侧110kV、低压侧35kV母线及风电场内部电压最高的机组J1和电压最低的机组E10的电压变化曲线。从图可以看出主要节点电压变化幅度在2%左右，电压处于良好的运行范围。图4-11是升压变压器高压侧110kV电压和功率随时间的变化。当风电场出力较大时，风电场内部无功损耗较大，SVG通过发出无功，补偿无功损耗，减少并网点功率交换，提高了风电场功率因数。图4-12是SVG的无功功率参考值与并网点电压随时间的变化关系。可以看出，并网点电压基本控制在[1.01，1.03]运行区间内，一旦电压低于1.01pu无功发生器SVG将增加无功出力，提高并网点电压，而当电压高于1.03pu无功发生器SVG将减少无功出力，回调并网点电压。当电压变化范围在死区以内时，SVG无功功率参考指令不变化。仿真结果表明，采用基于SVG的并网点电压控制策略能有效提高风电场运行电压质量，降低并网点处的无功负荷，提高风电场功率因数。J1风速p.u.110bus功率J1功率t(s)图4-9J1机组风速和功率(SVG控制)Fig.4-9WindvelocityandpowerofJ1underSVGcontrol第64页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析110bus电压J1电压E10电压p.u.35bus电压t(s)图4-10主要节点电压值(SVG控制)Fig.4-10VoltagesofkeynodesunderSVGcontrol110bus有功p.u.SVG无功110bus无功t(s)图4-11并网点电压和功率(SVG控制)Fig.4-11Voltageandpowerofgrid-connectedpointunderSVGcontrol110bus电压电压无功p.u.p.u.无功参考值t(s)图4-12电压与无功参考值(SVG控制)Fig.4-12VoltageandreactivepowerreferenceunderSVGcontrol第65页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析4.3基于风电机组无功调节能力的并网点电压控制4.3.1控制策略[33]双馈风电机组、永磁直驱风电机组都具备一定的无功功率发生能力。当前风电机组整机制造商提供的这两种机型能运行在功率因数为[-0.95，0.95]的工作区间，也就是说风电机组可利用的最大无功功率将是有功功率的32.9%。这是相当可观的。未来如果采用性能更好的变换器和控制策略，风电机组的无功功率发生能力还能进一步提高。与静止无功发生器SVG类似，风电机组具有较快的时间响应速度。如果能够利用风电机组的无功发生能力，对并网点电压进行调节，部分取代或者完全取代升压站无功补偿装置，这将是一项非常有意义的工作。图4-13是基于风电机组无功调节能力的并网点电压控制示意图，通过检测各高压侧的电压，与参考电压（1.02pu）进行比较，将差值送入死区环节，死区*为[-0.01pu，0.01pu]，然后经过PI控制器生成无功指令参考值Q由风电机组进行跟踪。生成的无功指令参考值还要经过限幅，避免超过风电机组群的无功发生*能力。Q按照等功率因数在各机组之间进行分配：**PiQQ(4-1)inPii1**式中，Q是总无功功率参考值；Q是各风电机组无功功率参考值；P是各ii风电机组有功功率值。如果某一风电机组有功出力大，那么由其造成的无功损耗就多，它就要发出更多的无功功率去补偿。这种等功率因数控制方法还可以确保风电机组功率因数不越限。虽然风电机组在有功出力小的时候，具有更大的无功发生能力，如果按无功容量进行分配，必然造成风电机组有功功率小的发出更多的无功功率，可能造成功率因数越限，机组报警。设置死区环节是考虑到实际中，可以运行并网点电压在一定范围内波动，同时避免风电机组的频繁调节和在参考点的振荡。风电机组按出口处单位功率因数为1进行控制。风电机组群提供电压闭环控制维持并网点电压在可以接受的波动范围[1.01，1.03]。由于风电场35kVI段母线和II段母线控制策略和仿真结果相近，以下35kV、110kV电压功率指的是35kV母线I段及其所连升压变压器高压侧110kV母线I段。第66页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析Qmax**PiQimax1Q*QQinK(1)pPTsiiQi1Qiminmin等功率因数分配死区35kV系统Ⅱ段阻抗*110kVusE10E2E1**QQuE1E10sVT35kVA10A2A1QQ**Ⅰ段A1A10图4-13基于DFIG的并网点电压控制Fig.4-13Voltagecontrolofgrid-connectedpointbasedonDFIG4.3.2仿真分析设置风电场模型仿真时间为2min，风速平均值为12m/s，风向为主导风向，风电场内部电压最高的机组J1的风速和有功功率见图4-14，J1的平均风速为12m/s，风速超过额定风速12m/s时，风力发电机组有功功率被限制在了1.0pu。图4-15是在12m/s平均风速下，升压变压器高压侧110kV、低压侧35kV母线及风电场内部电压最高的机组J1和电压最低的机组E10的电压变化曲线。从图可以看出主要节点电压变化幅度在2%左右，电压处于良好的运行范围。但我们也观察到J1的电压曲线部分区间超过了110kV并网点，波动比采用SVG控制时要大。这是因为风电机组本身也发出无功功率，进一步助推了机端电压的升高，这一现象应该引起我们足够的警惕。图4-16是升压变压器高压侧110kV电压和功率随时间的变化。当风电场出力较大时，风电场内部无功损耗较大，双馈风力发电机组通过发出无功，补偿无功损耗，减少并网点功率交换，提高了风电场功率因数。图4-17是风电机组群的无功功率总参考值与并网点电压随时间的变化关系。可以看出，并网点电压基本控制在[1.01，1.03]运行区间内，一旦电压低于1.01pu风电机组群将增加无功出力，提高并网点电压，而当电压高于1.03pu风电机组群将减少无功出力，回调并网点电压。当电压变化范围在死区以内时，风电机组群无功功率参考指令不变化。图4-18是风电机组J1和风电机组群无功功率总参考值的对比。图中最上面一条曲线是风电机组J1有功出力与风电机组平均有功出力的比值。该值大于1表示J1有功出力大于风电机组平均有功出力。可以看出当J1有功出力大于风电机组平均出力的时候，J1要承担更多的无功任务；当J1的有功出力小于风电机组平均出力的时候，J1承担的无功任务减少。第67页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析仿真结果表明，采用基于风电机组无功调节能力的并网点电压控制策略能有效提高风电场运行电压质量，降低并网点处的无功负荷，提高风电场功率因数。J1风速p.u.110bus功率J1功率t(s)图4-14J1机组风速和功率(DFIG控制)Fig.4-14WindvelocityandpowerofJ1underDFIGcontrolJ1电压110bus电压E10电压p.u.35bus电压t(s)图4-15主要节点电压值(DFIG控制)Fig.4-15VoltagesofkeynodesunderDFIGcontrol110bus有功p.u.J1无功110bus无功t(s)图4-16并网点电压和功率(DFIG控制)Fig.4-16Voltageandpowerofgrid-connectedpointunderDFIGcontrol第68页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析110bus电压无功p.u.p.u.无功参考值t(s)图4-17电压与无功参考值(DFIG控制)Fig.4-17VoltageandreactivepowerreferenceunderDFIGcontrolJ1有功/机组平均有功1.20.241.00.20P0.80.16J1Pave无功0.60.12J1无功p.u.p.u.0.40.080.20.04无功参考值t(s)图4-18总的无功参考值与J1机组无功功率Fig.4-18TotalreactivepowerreferenceandreactivepowerofJ1图4-19是基于SVG的并网点电压控制、基于风电机组的并网点电压控制以及不进行电压控制时，110kV并网点电压对比。从图中可以看出，基于SVG的并网点电压控制、基于风电机组的并网点电压控制都能将并网点电压基本控制在[1.01，1.03]运行区间内，具有良好的控制效果。图4-20是基于SVG的并网点电压控制、基于风电机组的并网点电压控制以及不进行电压控制时，110kV并网点无功功率对比。从图中可以看出，基于SVG的并网点电压控制、基于风电机组的并网点电压控制都能降低风电场较大出力时从电网吸收的无功功率。图4-21是基于SVG的并网点电压控制、基于风电机组的并网点电压控制以及不进行电压控制时，110kV并网点功率因数对比。从图中可以看出，基于SVG的并网点电压控制、基于风电机组的并网点电压控制都能提高风电场的功率因数，使功率因数处于较好的运行范围。第69页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析SVG控制）DFIG控制p.u.Vb=110kV（压电无电压控制t(s)图4-19并网点电压比较Fig.4-19Comparisonofvoltagesatgrid-connectedpointb）无电压控制p.u.S=100MVA（SVG控制率功功无DFIG控制t(s)图4-20并网点无功功率比较Fig.4-20Comparisonofreactivepoweratgrid-connectedpointSVG控制数因率功DFIG控制无电压控制t(s)图4-21并网点功率因数比较Fig.4-21Comparisonofpowerfactoratgrid-connectedpoint第70页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析4.4本章小结本章首先讨论风电场强连接到电网、弱连接到电网的电压波动情况，通过潮流计算从100台风电机组中选择出电压最高的机组J1和电压最低的机组E10，作为重点考察对象。通过仿真指出弱连接到电网的风电场电压波动较大，需要有较快响应速度的无功控制策略和无功电压控制装置，仅仅改变升压变压器的抽头是不够的。然后设计了基于SVG的并网点电压控制和基于风电机组无功调节能力的并网点电压控制。结果表明基于SVG的并网点电压控制、基于风电机组的并网点电压控制都能将并网点电压基本控制在[1.01，1.03]运行区间内，具有良好的控制效果。同时指出在利用风电机组无功调节能力时，风电机组发出无功功率提高并网点电压时，也会进一步助推机端电压的升高，应予以重视。第71页 上海交通大学工学硕士学位论文第4章风电场无功电压控制仿真分析第72页 上海交通大学工学硕士学位论文第5章总结与展望第5章总结与展望5.1总结本论文所做的工作如下：(1)建立风电机组及风电场数学模型。介绍风电机组的结构及工作原理，建立包含风力机、传动链、发电机、变换器、变桨系统及Crowbar的风电机组的数学模型；然后设计风电机组在并网、最大功率跟踪、有功无功指令控制、解列等典型工况下的控制策略；最后建立包含无功补偿装置SVG的风电场数学模型，建立了考虑尾流效应和时滞效应的基于ARMA方法的风电场风速模型。(2)设计和实现了风电场实时仿真平台。包括总体设计规划、平台组成、数据通信系统和人机交互界面以及虚拟风电场的仿真模型。最后对单个风电机组进行了全工况仿真，仿真结果表明所建立的风电机组模型能正确反映机组在最大功率跟踪控制、有功无功指令控制、并网解列控制下的动态特性，所建立的风电场模型能满足风电场功率控制的要求。(3)研究风电场强连接到电网、弱连接到电网的电压波动情况。通过仿真指出弱连接到电网的风电场电压波动较大，需要有较快响应速度的无功控制策略和无功电压控制装置，仅仅改变升压变压器的抽头是不够的。(4)研究并设计了基于SVG的并网点电压控制和基于风电机组无功调节能力的电压控制策略。仿真分析表明基于SVG的并网点电压控制、基于风电机组的并网点电压控制都能将并网点电压基本控制在[1.01，1.03]运行区间内，具有良好的控制效果。同时指出在利用风电机组无功调节能力时，风电机组发出无功功率提高并网点电压时，也会进一步助推机端电压的升高，应予以重视。5.2展望本文虽然取得了一些阶段性的成果，但仍有问题值得深入研究：1.本文建立的风电场模型虽然对风电场内部进行了详细建模，但对外部电网建模过于简化，仅用理想电源和系统阻抗进行等值。需要进一步研究包含较为复杂外部电网的模型。2.本文采用基于SVG的并网点电压控制和基于风电机组无功调节能力的并网点电压控制时，未考虑采样时间和通信延时的影响，而在实际风电场中这是无法忽略的，需要进一步探讨。第73页 上海交通大学工学硕士学位论文第5章总结与展望第74页 上海交通大学工学硕士学位论文参考文献参考文献[1]NelsonBL,CarsonJS,BanksJ.Discreteeventsystemsimulation[M].Prenticehall,2001.[2]GiordanoF,FoxWP,HortonS.Afirstcourseinmathematicalmodeling[M].CengageLearning,2013.[3]张燕云,陈加栋.系统仿真导论[M].清华大学出版社,2000.[4]Burks,ArthurW.andAliceR.Burks,TheENIAC:TheFirstGeneral-PurposeElectronicComputer(inAnnalsoftheHistoryofComputing,Vol.3(No.4),1981,pp.310–389;commentarypp.389–399).[5]BucherR,BalemiS.RapidcontrollerprototypingwithMatlab/SimulinkandLinux[J].ControlEngineeringPractice,2006,14(2):185-192.[6]LedinJ.Simulationengineering[M].CMPbooks,2001.[7]汤涌.电力系统数字仿真技术的现状与发展[J].电力系统自动化,2002,26(17):66-70.[8]田芳,李亚楼,周孝信,等.电力系统全数字实时仿真装置[J].电网技术,2008,32(22):17-22.[9]田芳,宋瑞华,周孝信,等.全数字实时仿真装置与直流输电控制保护装置的闭环仿真方法[J].电网技术,2010,34(11):81-86.[10]田芳,宋瑞华,周孝信,等.全数字实时仿真装置与直流输电控制保护装置的闭环仿真试验及分析[J].电网技术,2010,34(12):57-62.[11]孟恒信,梁旭,刘愈倬,等.数字化变电站继电保护闭环实时仿真系统研究[J].电网技术,2010,34(12):198-203.[12]胡涛,朱艺颖,印永华,等.含多回物理直流仿真装置的大电网数模混合仿真建模及研究[J].中国电机工程学报,2012,32(7):68-75.[13]周俊,郭剑波,朱艺颖,等.特高压交直流电网数模混合实时仿真系统[J].电力自动化设备,2011,31(9):18-22.[14]刘云,蒋卫平,印永华,等.特高压交直流大电网的数模混合实时仿真系统建模[J].电力系统自动化,2008,32(12):52-56.[15]崔勇,郭强,黄志岭.特高压交直流电网实时仿真平台建设及应用[J].华东电力,2014,1:011.[16]蒲莹,蒋维勇,石岩,等.宁东—山东±660kV直流输电示范工程二次系统实时仿真试验及关键问题对策[J].电网技术,2011,35(1):76-83.[17]李秋硕,张剑,肖湘宁,等.基于RTDS的机电-电磁暂态混合实时仿真及其在FACTS中的应用[J].电工技术学报,2012,27(3):219-226.[18]郭炳庆,孙元章.电力系统稳定性分析与控制实时仿真决策系统[J].电力系统自动化,2000,24(18):5-7.[19]郭琦,韩伟强,曾勇刚,等.电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台(一)架构与特征[J].电力系统自动化,2012,36(20):1-5.[20]郭琦,韩伟强,徐光虎,等.电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台(二)应用实例[J].电力系统自动化,2012,36(21):19-23.[21]汪宁渤.甘肃酒泉千万千瓦风电基地面临的挑战及应对措施[J].电网与清洁能源,2009(7):43-47.第75页 上海交通大学工学硕士学位论文参考文献[22]李渝,范高锋,李庆,等.达坂城风电接入系统对新疆电网电能质量的影响[J].电网技术,2007,31(6):88-92.[23]席晶,李海燕,孔庆东.风电场投切对地区电网电压的影响[J].电网技术,2008,32(10):58-62.[24]胡立锦,张新燕,常喜强,等.风电机群对公共汇集点的电压波动贡献分析[J].电网技术,2012,36(6):232-237.[25]何世恩,董新洲.大规模风电机组脱网原因分析及对策[J].电力系统保护与控制,2012,40(1):131-137.[26]汪宁渤,马彦宏,丁坤,等.酒泉风电基地脱网事故频发的原因分析[J].电力系统自动化,2012,36(19):42-46.[27]向昌明,范立新,蒋一泉,等.风电场内风电机组连锁脱网机理与低电压穿越能力研究[J].电力自动化设备,2013,33(12):91-97.[28]穆钢,王健,严干贵,等.双馈型风电机群近满载工况下连锁脱网事件分析[J].电力系统自动化,2012,35(22):35-40.[29]崔杨,严干贵,孟磊,等.双馈感应风电机组异常脱网及其无功需求分析[J].电网技术,2011,35(1):158-163.[30]李丹,贾琳,许晓菲,等.风电机组脱网原因及对策分析[J].电力系统自动化,2012,35(22):41-44.[31]刘其辉，王志明.双馈式变速恒频风力发电机的无功功率机制及特性研究[J].中国电机工程学报，2011，31(3):82-89.[32]申洪，王伟胜，戴慧珠.变速恒频风力发电机组的无功功率极限[J].电网技术，2004，27(11):60-63.[33]郎永强，张学广，徐殿国，等.双馈电机风电场无功功率分析及控制策略[J].中国电机工程学报，2007，27(9):77-82.[34]SinghB，SinghSN.ImprovedReactivePowerCapabilityofGridConnectedDoubly-FedInductionGenerators[J].WindEngineering，2009，33(4):403-415.[35]拜润卿,秦睿,智勇,等.风电基地动态无功补偿装置参数实测与分析[J].中国电力,2012,45(2):54-57.[36]张强,仇卫东.风电场内集中无功补偿容量的设计与研究[J].中国电力,2012(9).[37]陈树勇，申洪，张洋，等.基于遗传算法的风电场无功补偿及控制方法的研究[J].中国电机工程学报，2005，25(8):1-6.[38]江岳文，陈冲，温步瀛.随机模拟粒子群算法在风电场无功补偿中的应用[J].中国电机工程学报，2008，28(13):47-52.[39]朱雪凌，张洋，高昆，等.风电场无功补偿问题的研究[J].电力系统保护与控制，2009(16):68-72.[40]乔颖,鲁宗相,徐飞.双馈风电场自动电压协调控制策略[J].电力系统自动化,2010(5):96-101.[41]陈宁,何维国,钱敏慧,等.风电场无功电压控制系统设计和应用[J].电力系统自动化,2012,35(23):32-36.[42]杨硕,王伟胜,刘纯,等.双馈风电场无功电压协调控制策略[J].电力系统自动化,2013,37(12):1-6.[43]杨桦,梁海峰,李庚银.含双馈感应电机的风电场电压协调控制策略[J].电第76页 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上海交通大学工学硕士学位论文参考文献第78页 上海交通大学工学硕士学位论文附录附录附表1双馈风电机组参数（已折算至定子侧）Table.1ParametersofDFIG额定容量Sn2.0MW额定频率fn50Hz额定线电压Un690Vrms变比Ns/Nr0.45定子电阻Rs0.00488pu定子漏感Lls0.1386pu转子电阻Rr0.00549pu转子漏感Llr0.1493pu互感Lm3.9527pu机械时间常数H3.5s2转动惯量J567.4kg∙m极对数2附表2风电场实时仿真平台硬件清单Table.2ComponentslistofthewindfarmmonitoringsystemNo项目说明数量风电场监控系统（SCADA）型号：HPProLiantDL388pGen8E5-2630v2，CPU：英特尔®至强®1SCADA服务器E5-2630v26核，内存：16GB，硬盘：12T，操作系统：WindowsServer2008r2x64联想ThinkStationE3230A3S00T00小机箱工作站，CPU：Intel2SCADA工作站Haswelli7-4770，内存：8GB，硬盘：11T，操作系统：Windows7Professional64bit3高级算法服务器进行风电场高级控制算法运算14交换机以太网交换机15显示器24寸，供工作人员操作使用2第79页 上海交通大学工学硕士学位论文附录6电视60寸，作为展示参观的显示屏1上海电气风电场监控系统软件，包括7监控软件服务端软件狗一个和客户端软件狗1两个提供24台（时间间隔10s）风速数据8风速数据包包和96台（时间间隔30s）风速数据1包，包含典型风况RT-LAB实时仿真系统OP5600实时目标机，19英寸4U上柜机箱，2个Inteli76核3.46GHz处理器,8GB内存,1个FPGA板，以太网接口，1块信号调理载板，4个1RT-LAB下位机1模拟量模块位置，2个数字量模块。6个PCIe/PCI插槽。内置±5V/12V直流电源,RedhatLinux实时操作系统和I/O卡驱动ElectricalSystemModelingandSimulationToolsIncl.ARTEMIS,2RTLAB软件包1RTeDRIVEandRT-EventsforEDU（电力系统工具包，用于教育机构）HostSystem:Intel4core(2.6GHz),2GB，500GBSATA，WindowsXP3RT-LAB上位机（仿真主机，Intel4核处理器，12.6GHz,2GB内存，500GB硬盘，Windows操作系统，双19寸显示器）4显示器19寸，供工作人员操作使用219'标准机柜，规格600mm*800mm*37U，标配前玻璃门，5机柜厚钢板门，3块隔板,1套电源排插,41只脚轮,1个2U键盘板附件。包括电源控制箱第80页 上海交通大学工学硕士学位论文致谢致谢时近寒冬，岁逢甲午。遥想当年，清廷积弱，内忧外患，败于日本。再看今朝，日新月异，偃武修文，物阜民康。乱世萧索，食不果腹，何以格物。命运眷顾，生于斯世，当谢国家。弱冠离家，外出求学。先于北洋，后至南洋。此二学府，宣怀所创。甲午战败，国事艰难。自强之道，育才为本。求才之道，学堂为先。参用西制，兴学树人。筚路蓝缕，穷理振工。巍巍学府，屹立南北。弦歌不绝，人才辈出。精英荟萃，经世济民。学生愚钝，材薄质衰。蒙师不弃，忝列门墙。恩师二人，蔡旭李征，高山仰止，景行行止。春风化雨，言传身教。立侧三年，受益匪浅。桃李不言，下自成蹊。谆谆教诲，没齿难忘。恩师之德，山高水长。寿登期颐，体健而康。哀哀父母，生我劬劳。哀哀父母，生我劳瘁。抚我畜我，长我育我，顾我复我，出入腹我。欲报之德，昊天罔极。同学少年，风华正茂。四海菁英，济济一堂。亦友亦师，切磋琢磨。左右采获，一并谢过。第81页 上海交通大学工学硕士学位论文致谢第82页 上海交通大学工学硕士学位论文攻读硕士学位期间已发表或录用的论文攻读硕士学位期间已发表或录用的论文[1]董建政,李征,蔡旭.基于RT-LAB的双馈风电场动态建模.电力系统保护与控制，已录用.第83页