随着科技的发展, 人们对能源的需求越来越大, 但化石能源的总量是一定的, 因此为了满足能源的需求, 就需要新的能源形式以弥补化石能源的短缺^[1]。在过去的十几年中, 新能源得到了快速发展, 预计到2030年新能源的占比将会超过煤炭, 成为最大的能源结构, 并在2040左右达到发电总量的34%^[2]。太阳能作为一种取之不尽的能源受到了人们的广泛关注, 太阳能光伏发电成为了现代新能源发电的热点^[3]。我国在20世纪50年代开始对光伏发电进行了研究, 当时的一大突破就是在东方红二号卫星上的应用, 但光伏发电成本较高, 无法在国内大面积使用。然后在国家的大力扶持下, 光伏发电得到了充分的发展, 装机容量也逐年上升。光伏电站的增加带来岗位与技能人才不相匹配的问题, 急需开发仿真机解决这一问题。仿真培训系统作为一种采用模拟现实设备运作的平台, 能够提供学员更多的操作机会和故障处理等能力, 能够将系统运作的动态过程完整地展现给学员。目前, 我国在光伏电站运行方面虽然具备一定的技术人才, 但来自于火电等相关领域的很多运行专业人才没有接受过光伏系统运行相关知识的系统培训; 五大四小电力集团的运行人才培训主要利用老员工带新员工的方式来培养光伏技术人才; 国内高等院校也只能依靠学习书本理论的方式, 由此导致全面系统的培训还相对匮乏^[4]。此外, 国内对于仿真机的开发研究较少, 而且大多都功能单一, 培训过程大多依赖于书本与仿真机的结合。本文开发的仿真培训系统可以快速、高效地进行专业人员的培训, 具有监控、远程网络培训、操作票模拟、正常/异常工况演示、实操考评、工况保存调取等功能, 提高了培训效率, 改善了培训质量, 为新能源行业仿真系统的开发提供了借鉴。

本文以某一光伏电站为仿真对象, 装机容量为100 MW。一区域通过1^#和2^#集电线, 二区域通过3^#和4^#集电线接入升压站35 kV母线, 由1^#主变升压至220 kV, 经GIS系统输送至中广46M8线。其中, 220 kV侧采用单母线连接方式, 1台220 kV容量为100 MVA的主变压器, 中性点直接接地; 35 kV系统采用单母线运行的方式, 连接设备有: 1^#SVG, 2^#SVG, 母线PT, 1^#主变, 1^#, 2^#, 3^#, 4^#进线, 1^#接地变。其主接线如图 1所示。

仿真系统主要包括N型单晶全片310 W高效双面双玻组件、主变压器、厂用电系统、220 kV(GIS)、无功补偿等。

N型单晶全片310 W高效双面双玻组件的型号为JW-D60N-310, 参数包括峰值功率(310 W)、开路电压(39.6 V)、短路电流(9.98 A)、工作电压(32.7 V)、工作电流(9.49 A)和工作温度(42±2 ℃)。主变压器型号为SZ11-100 000/220(230±8×1.25%)/37, 参数包括额定容量(100 000 kVA)、额定电压(230±8×1.25%/37 kV)和额定电流(251.0/1 560 A)。厂用电系统的接线方式为YNd11, 其1^#接地变压器的型号为DKSC-1500-315/35, 容量为315 kVA, 场备用变压器型号为SCB10-315/10, 容量为315 kVA。220 kV(GIS)的型号为ZF11C-252, 其额定电压为252 kV, 额定电流为4 000 A, 额定遮断电流为125 kA。无功补偿设备型号为QNSVG-10/10-W, 其无功调节范围为-10~10 MVA, 额定电压为10 kV。

主变压器的仿真程度能够反映变压器温度和油温随负荷和环境温度的变化状况; 风冷控制柜状态与电厂实际风冷控制柜状态一致, 显示冷却系统的投入或退出对变压器温升的影响, 冷却系统动作机理、跳闸信号与实际相符, 瓦斯保护动作、后备保护动作等均包含在仿真系统中; 变压器正常、异常和事故状态等, 主变风冷装置电源切换以及切换过程中各指示应与实际一致。断路器、隔离刀闸的仿真程度能够正确反映设备正常、异常和事故状态下的仿真现象, 能够反映断路器计数器指示、断路器和隔离开关之间的闭锁关系、闭锁可投入或退出等。

在光伏发电仿真系统中, 主要对日照强度、环境温度和光伏电池表面清洁度进行模拟, 可在仿真机上随意设置这3个参数, 即可观测光伏组件和组串的实时数据。

(1) 多学科一体化仿真平台(Multi-Subject Simulation Platform, MSP)能够为大型复杂系统的连续过程仿真提供设计、调试、数据访问、运行管理等功能。MSP的软件框架提供了多种插件支持, 通过增减插件能够方便地对平台进行功能扩展和屏蔽。MSP采用了以TCP/IP协议为基础的P2P(Peer to Peer)网络模型, 既能够将仿真开发和运行部署到更大的范围上, 又能够通过裁减满足多种网络应用需求。P2P网络模型的应用, 使得仿真局域网完全去中心化, 可以不设仿真服务器, 既节省了投资, 又灵活方便。

(2) Powerbuilder平台提供了多种建模模块, 包括电气系统仿真建模各种模块、兼容模块、计算电流-无功模块、基础网络求解模块, 以及常用控制系统算法库和常用电气控制逻辑算法库等。电气系统建模工具软件集可为复杂的交流和直流系统提供精确的、高保真的仿真模型。它利用基尔霍夫电流定律和戴维宁诺顿等效电路以及复杂的变量计算来达到建立高精度仿真模型的目的。通过求解复杂网络矩阵方程, 可精确地计算出电子组件之间的交互作用, 如电压、电流、频率、实电流、虚电流和总电流等参数, 实现对电气系统的建模。

在光伏发电系统中, 光伏阵列由光伏组件以串并联的形式联结在一起, 光伏组件是光伏阵列中的最小单元^[5]。光伏组件的I-V特性方程为

$ \begin{aligned} I_{\mathrm{L}}=& I_{\mathrm{L}}-I_0\left[\exp \left(\frac{q\left(U+I R_{\mathrm{s}}\right)}{A K T}\right)-1\right]-\\ & \frac{U+I R_{\mathrm{s}}}{R_{\mathrm{sh}}} \end{aligned} $

(1)

式中: I_L, I——光生电流和负载电流;

I₀——光伏组件反向饱和电流;

q——电子电荷;

U——光伏阵列输出电压;

R_s——串联电阻;

A——PN节参数;

K——玻尔兹曼常数;

T——光伏组件工作温度;

R_sh——并联电阻。

变压器的三相模型如图 2所示。它包括两个部分: Y_T表示变压器节点导纳矩阵, G_T表示铁损等值回路导纳矩阵。一般情况下, 三相变压器建模不考虑铁损等值回路部分, 仅考虑变压器节点导纳矩阵Y_T。

三相变压器的原始导纳矩阵Y_P可用于表示变压器绕组支路电压向量U_b和绕组支路电流向量I_b之间的关系, 即:

$ \boldsymbol{I}_{\mathrm{b}}=\boldsymbol{Y}_{\mathrm{P}} \boldsymbol{U}_{\mathrm{b}} $

(2)

式中: U_b=[$\dot U$₁ $\dot U$₂ $\dot U$₃ $\dot U$₄ $\dot U$₅ $\dot U$₆]^T, 其中$\dot U$₁, $\dot U$₂, $\dot U$₃为原边绕组的支路电压, $\dot U$₄, $\dot U$₅, $\dot U$₆为副边绕组的支路电压; I_b=[$\dot I$₁ $\dot I$₂ $\dot I$₃ $\dot I$₄ $\dot I$₅ $\dot I$₆]^T, 其中$\dot I$₁, $\dot I$₂, $\dot I$₃为原边绕组的支路电流, $\dot I$₄, $\dot I$₅, $\dot I$₆为副边绕组的支路电流。

三相变压器的节点电压U_n和节点注入电流I_n之间的关系可以利用节点导纳矩阵Y_T来表述, 即

$ \boldsymbol{I}_n=\boldsymbol{Y}_{\mathrm{T}} \boldsymbol{U}_n $

(3)

式中: U_n=[$\dot U$_A $\dot U$_B $\dot U$_C $\dot U$_a $\dot U$_b $\dot U$_c]^T, 其中$\dot U$_A, $\dot U$_B, $\dot U$_C为原边绕组侧的节点电压, $\dot U$_a, $\dot U$_b, $\dot U$_c为副边绕组侧节点电压, I_n=[$\dot I$_A $\dot I$_B $\dot I$_C $\dot I$_a $\dot I$_b $\dot I$_c]^T, 其中$\dot I$_A, $\dot I$_B, $\dot I$_C为原边绕组侧的节点电流, $\dot I$_a, $\dot I$_b, $\dot I$_c为副边绕组侧的节点电流。

根据现场搜集到的监控系统资料(包括控制逻辑、人机界面等), 利用专业仿真平台, 制作了一套与现场基本一模一样的监控系统。监控系统可以实时反映仿真设备的运行数据和分合闸状态。分散控制系统(Disgtributed Control System, DCS)监控画面如图 3所示。

仿真培训系统能够进行网络培训, 提供光伏发电系统各种运行特性。一机多模是指在一套仿真硬件上安装有多个仿真模型, 一套硬件可以分为多组同时使用一套模型进行协同培训的模式。这样, 既可以单机操作, 又可以多人协同操作。用户可以在指定地点建设一个仿真机房, 机房外的培训室和个人用户可以通过远程访问获得授权, 然后进行仿真培训。其优点是可以充分发挥仿真系统的功能和作用, 降低仿真培训的成本; 可以实现用户仿真培训的集中培训与分散培训并行, 具有统一考核、集中维护的功能。协同操作培训示意如图 4所示。

仿真机可实时仿真参考机组设备故障、性能下降、装置损坏和自动控制功能失灵等异常和事故工况, 还能仿真程度不同和渐变的故障, 程度可在0~100的范围内可调, 可连续、实时地仿真参考光伏发电机组的正常或异常工况运行培训。仿真机的模型软件可根据具体的运行操作, 模拟机组的运行特性。通过教练员站画面显示光伏发电机组的运行状态和模拟量参数, 提供机组的报警和保护。即仿真平台中故障无触发时为正常工况, 故障触发时为异常工况, 只需在设置故障列表中选中要触发的故障, 点击“设置故障”即可。图 5为故障设置界面示意。

针对仿真操作训练, 将仿真机组的启动、停止、各种状态运行, 以及故障模拟操作等分为若干个工作任务, 对这些任务一一编写操作票, 可对每一个任务进行单独的操作培训。在培训过程中, 采用演示、练习交替、任务驱动、目标导向等培训模式, 实现培训演示与练习的结合。针对学员的个人需要选择不同的操作票进行练习, 可以快速提高学员的技术水平和操作能力。

如仿真系统在演示模式下工作, 学员选定学习任务后, 右键打开演示模式, 系统会完成以下工作:

(1) 自动重置仿真机工况, 自动调入规定任务所需要的初始工况;

(2) 自动打开所需要操作的界面;

(3) 自动演示操作过程;

(4) 自动语音播报, 介绍任务的操作过程。

在练习模式下, 学员可以自我练习。在该模式下, 系统可以自动重置工况, 设置操作环境, 然后学员根据操作票说明逐一进行操作。通过反复练习, 学员不看操作步骤说明, 也可以完成任务规定的操作。

配合仿真机的操作培训, 仿真系统具有考评功能。可以在局域网内同时或分别进行在线考评, 可以自动向任意一个单机用户或一个协同培训群分发试卷, 并自动生成考评结果。考评报告包含的内容: 一是考试信息, 包括考生的姓名、得分、考试开始时间和结束时间; 二是考题信息, 包括考题的名称、得分、难度、判分的细则。

考评系统内某考题的搭建逻辑实例, 见图 6。

工况是指在某一个时间点整个仿真系统所有仿真设备所处的状态。仿真系统中工况为一个二进制文件。在仿真机的使用过程中, 可以将任何时间节点的运行状态保存下来, 之后, 就可以随时将仿真系统初始化到该状态, 就大大提高了仿真系统的练习培训效率。一般会在仿真系统的标准工况目录下保存几个典型运行状态的工况供用户调取使用。用户还可根据需要保存自己的工况。

在以往无仿真机的教学过程中, 学员动手操作的次数有限, 有些知识容易遗漏, 在学习过程中往往提不起兴趣, 学习效率极低, 学习周期也比较长, 考试结果差强人意, 需要经过多次培训才能达到实际要求的上岗水平。采用光伏仿真培训系统后, 学员的学习热情高涨, 听课态度也十分认真, 在学习过程中能够通过仿真系统进行多次练习, 对复杂的操作能够反复观看操作视频, 与教练员及时沟通, 不仅提高了学习效率, 而且在较短时间内提高了学员的技术水平。

光伏发电仿真培训系统为光伏发电领域的入职人员提供了培训的平台。多学科一体化仿真平台可在电气库中选择模块进行电气模型建模, 利用控制系统图形化建模工具软件, 通过相应的变量进行逻辑电路的链接, 在图形显示工具软件上进行操作界面的绘制。光伏发电仿真培训系统的开发, 为快速发展的光伏发电领域人才不足等问题提供了解决方案。该仿真系统不仅能提高学员的学习热情, 而且能快速提高学员的技术水平, 为光电从业人员提升自身技能和故障处理能力奠定了基础。