研旭新能源发电MMC直流送出系统实时仿真平台


在党中央的领导下,全国疫情迎来决胜时刻。研旭在疫情期间,坚持疫情防控和有序恢复生产“两手抓、两不误”!在合作伙伴的大力支持下,在研旭全体员工的勤奋与努力下,近期研旭市场部前线传来喜讯,研旭将牵头参与中国电科院新能源发电MMC直流送出系统实时仿真平台的建设。再次感谢合作伙伴的大力支持,感谢研旭全体员工的努力与付出。

 

一、新能源发电MMC直流送出系统实时仿真平台主要物理拓扑

 

研旭参与的中国电科院新能源发电MMC直流升压汇集与送出实时仿真平台项目中主要包括:

 

3台风电机组、1.5MW光伏发电、2台同步发电机、35kV交流串联可调阻抗、LCC-HVDC、VSC-HVDC、2台直流断路器、3台35kV DC/DC变流器、3台10kVDC/DC变流器,以及交直流线缆等设备。

 

新能源发电MMC直流送出系统实时仿真平台主要物理拓扑结构如图1所示。

 

 

图1 新能源发电MMC直流升压汇集与送出实时仿真平台物理拓扑

 

研旭在新能源微电网仿真平台、风力发电仿真平台、光伏发电仿真平台、基于模型设计的新能源实时仿真平台中已经积累了较多的工程经验与实施案例,推出的YXSPACE系列实时仿真器结合MBD(model base design 基于模型设计理念)能够大大提高项目中关键控制器的各类控制算法的验证效率,降低算法与架构人员对平台硬件的依赖以及对代码调试的工作量。可以说为在牵头本项目平台建设做了很好的铺垫,尽管如此本项目对研旭依然有较大挑战:

1、中国电科院更高的质量要求、更全面的性能指标覆盖 、更复杂的测试要求

2、大功率的直流输电MMC可靠运行与仿真平台搭建

3、跨平台跨厂商之间的协作与协调。本项目中的关键部分下边将进行概要介绍。

 

二、新能源发电MMC直流送出系统实时仿真平台主要接口形式

 

新能源发电MMC直流升压汇集与送出实时仿真平台的主要架构与接口形式如图2所示。

 

 

图2 新能源发电MMC直流升压汇集与送出实时仿真平台的主要架构与接口形式

 

上位机直流实证平台中以数字孪生系统为关键部分,该系统将充分利用现有物理模型、以及系统中传感器进行实时数据采样更新、系统中运行历史等数据,集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程,在虚拟数字空间中完成现有物理模型新能源MMC直流送出系统的数字映射,从而更全面的应对该典型系统中运行问题、控制优化问题、维护问题的研究。该部分合作单位有着非常好的研究基础与平台条件。

 

该系统的目标机将仿真实时物理模型,采用CPU+FPGA异构平台架构,多时间尺度高实时性是这个平台的关键,合作单位在这一领域内有丰富的实时经验。

 

该系统的实时控制器部分,主要特点是采用基于模型设计的理念,可从离线仿真控制算法模型一键生产平台代码,算法研究效率高效。控制器部分分为直流输电控制、光直流光伏控制、交流控制(含交流光伏、含双馈风机控制),研旭与合作厂家将共同开展研发与实施工作。研旭目前推出的YXSPACE-SP6000系列将应用在此处。

 

YXSPACE-SP6000物理结构示意如图3所示,主要接口示意如图4所示。

 

 

图3 YXSPACE-SP6000实施仿真器物理结构示意

 

 

图4 YXSPACE-DP6000实施仿真器接口示意

 

YXSPACE系列是研旭推出的系列基于模型设计的控制器,目前有SP1000、SP2000、SP6000三组产品,分别覆盖低、中、高基于模型的实时控制应用。SP1000为单板盒型设计,接口数量有限,充分发挥TI-C2000NCU芯片的功能,具有跟实际工业控制芯片接近,同时具备快速编程应用的能力,SP2000为挂箱设计,背板插件式结构,1个C2000系列DSP核,多个FPGA,外设端口可扩展,相比SP1000,具备更强的实时计算以及更多的扩展端口,SP6000系列采用TI 高性能 C6000系列DSP核+FPGA,扩展的端口远多于SP2000,计算能力显著强于SP2000,具备一定的硬件在环仿真能力。

 

三、源端光伏DC/DC结构

 

在新能源端,光伏直流侧考虑高频隔离变压器的变比及功率模块容量,500kW光伏直流升压DC/DC变换器功率模块采用单向LLC谐振实现IGBT模块的软开关,采用高频隔离变压器实现电气隔离和电压变换,高压侧采用电容串联代替一组开关器件以减小隔离变压器的变比,光伏直流升压DC/DC变换器设计为8个功率模块组成伪双极IPOS拓扑(注:IPOS拓扑为多模块输入并联,输出串联 Input Parallel Output Series,IPOS变换),单模块额定功率为62.5kW,系统原理图如下图5所示,单模块原理如图6所示。

 

 

图5  IPOS拓扑系统原理图

 

 

 

图6 单向LLC谐振DC/DC变换器原理图

 

500kW光伏直流升压DC/DC变换器主要技术指标如下:

(1)变换器额定功率:500kW;

(2)变换器变比:1比85;

(3)高压侧额定电压:70kVDC(DC±35kV±5%);

(4)高压侧平均电流:7.2A;

(5)低压侧额定电压:820V(750VDC~850VDC);

(6)低压侧平均电流:610A;

(7)过载能力:1.1倍过载30min;

(8)高压侧稳压精度:<3%;

(9)高压侧电压纹波:<2%;

(10)能量流动方向:单向;

(11)防护等级:IP20(柜体);

(12)使用环境:户内;

(13)冷却方式:强制风冷加自冷;

(14)控制供电:外取电;

(15)柜体颜色:RAL7035(依照客户要求);

(16)进出线方式:下进下出;

 

光伏端也可以单独交流并网输出,光伏并网系统这里不赘述,具体内容可以参见研旭光伏并网仿真平台。

 

四、源端双馈风机半实物仿真平台

 

源端双馈风机半实物仿真平台结构如图7所示。

 

 

图7  双馈风力发电实验仿真平台结构图

 

风电控制系统结构如图8所示。

 

图8 风电控制系统结构图

 

控制算法,可以通过yxspace系列产品从SIMULINK模型一键生成实时控制器的运行代码。可以更高效的尝试与比较各类算法的效果,更快的调整相关参数或者提出新算法或者针对新问题进行算法控制类研究。

 

五、基于MMC的直流输电控制

 

直流输电控制系统如图9所示

 

图9 柔性直流输电控制系统框图

 

控制系统的主要作用是根据当前运行情况,通过对调制波形的调节,以实现系统要求的有功、无功控制目标。控制系统还具有根据交直流系统运行工况进行换流阀解锁/闭锁顺序的控制、站内开关、刀闸的顺控和联锁、保证系统的平稳启/停以及为提高系统性能而进行的附加控制等。

 

柔性直流输电采用MMC拓扑结构,如图10所示。拓扑结果采用模块化级联方式,单个模块分别采用半桥结构和全桥结构,具备双模式混合运行功能。

 

柔直输电换流器材料技术参数见表1。

 

图10  柔性直流输电拓扑结构

 

 

表1  MMC技术参数

 

具体MMC控制详情可询研旭以及研旭合作方。

 

六、总结

 

该新能源发电MMC直流送出系统实时仿真平台可进行可再生能源接入柔性直流电网的并网控制算法、启动闭锁算法、功率控制算法、故障穿越控制算法、数字孪生系统、小步长数字实时仿真等等相关研究。该平台倾注了研旭多年技术积累,以及研旭的合作方的大力技术、实验条件等系列支持。不负韶华,激流勇进。再次感激研旭合作方的鼎力支持,研旭定当倍加努力,以创造更多价值。

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