光伏微網(wǎng)系統(tǒng)功率硬件在環(huán)仿真接口算法研究

蔡海青， 張建設(shè)， 滕亞青， 伍文聰， 郭琦， 周寅， 鄒毅軍

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州　510080； 2.上?？屏盒畔⒐こ逃邢薰?，上?！?00233)

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光伏微網(wǎng)系統(tǒng)功率硬件在環(huán)仿真接口算法研究

蔡海青1， 張建設(shè)1， 滕亞青2， 伍文聰1， 郭琦1， 周寅2， 鄒毅軍2

(1.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣東 廣州510080； 2.上?？屏盒畔⒐こ逃邢薰荆虾?00233)

對(duì)現(xiàn)有的功率硬件在環(huán)仿真接口算法進(jìn)行了綜述，基于理想變壓器模型(Ideal Transformer Model,ITM)討論了算法的穩(wěn)定性和改進(jìn)措施，通過(guò)無(wú)接口算法、無(wú)補(bǔ)償電感ITM接口算法、添加補(bǔ)償電感ITM接口算法三種情況的仿真試驗(yàn)，對(duì)比分析現(xiàn)有的功率放大器對(duì)仿真穩(wěn)定性的影響，驗(yàn)證了改進(jìn)接口算法能夠提高功率硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)的精確性和穩(wěn)定性。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)；功率硬件在環(huán)仿真；理想變壓器模型；接口算法；功率放大器

0　引　言

近年來(lái)，分布式發(fā)電系統(tǒng)得到了較快發(fā)展，同時(shí)，也給現(xiàn)有的電力系統(tǒng)帶來(lái)了一些新問(wèn)題，如分布式能源接入電網(wǎng)的差異性，各種新能源控制的復(fù)雜性[1]。功率硬件在環(huán) (Power Hardware-in-the-Loop，PHIL)仿真作為傳統(tǒng)硬件在環(huán)仿真的延伸，解決了許多新能源發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模不準(zhǔn)確的問(wèn)題而獲得越來(lái)越深入的研究[2]，目前最主要的問(wèn)題是功率硬件在環(huán)仿真的穩(wěn)定性，這可以認(rèn)為是PHIL仿真的必要條件，另外，精確性是保證PHIL仿真正確運(yùn)行的充分條件[3]。

本文主要從理論分析和數(shù)字仿真兩方面研究PHIL系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確性，搭建光伏并網(wǎng)PHIL全數(shù)字仿真進(jìn)行前期理論仿真驗(yàn)證，并針對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的自身特點(diǎn)對(duì)ITM接口算法進(jìn)行改進(jìn)。隨后在仿真軟件RT_LAB上搭建詳細(xì)光伏仿真模型開(kāi)展PHIL仿真，對(duì)比分析了改進(jìn)前后的接口算法對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精確度的影響。

1　PHIL及ITM接口算法

光伏并網(wǎng)PHIL系統(tǒng)的總體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括數(shù)字仿真系統(tǒng)、功率放大器接口和物理仿真系統(tǒng)三部分，數(shù)字仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真電網(wǎng)數(shù)字模型，物理仿真系統(tǒng)由真實(shí)的光伏模擬器和光伏逆變器組成，功率放大器接口及其接口算法實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)仿真系統(tǒng)和物理仿真系統(tǒng)的混合仿真的功率連接。接口算法解決的問(wèn)題是將一個(gè)整體的模擬對(duì)象解耦成數(shù)字仿真部分和物理模擬部分，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的接口算法主要有五種，包括理想變壓器模型(ITM)法、時(shí)變一階近似(TFA)法、輸電線路模型(TLM)法、部分電路復(fù)制(PCD)法、阻尼阻抗(DIM)法。其中ITM法最為直觀，實(shí)現(xiàn)最為簡(jiǎn)單，不需要添加過(guò)多物理元件，電壓型ITM將數(shù)字仿真系統(tǒng)的端口電壓經(jīng)放大等一系列控制變換，輸入物理系統(tǒng)作為其端口電壓，同時(shí)，物理系統(tǒng)的實(shí)際電流經(jīng)測(cè)量由受控電流源形式反饋給數(shù)字系統(tǒng)。當(dāng)物理側(cè)為有源系統(tǒng)時(shí)，ITM的接口帶有源負(fù)載能力強(qiáng)、波形畸變小，最為適合[4]。

圖1　PHIL電力仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　PHIL仿真穩(wěn)定性分析

根據(jù)上節(jié)描述的ITM法，容易得到電壓型ITM開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

(1)

ITM穩(wěn)定的充要條件為:

(2)

式中ZL為物理系統(tǒng)元件阻抗參數(shù)，ZS為數(shù)字仿真系統(tǒng)阻抗參數(shù)，τ為接口總延時(shí)，主要為前向通道中電壓功率放大器的延時(shí)[5]。

從上述穩(wěn)定性判據(jù)可以看出，提高穩(wěn)定性的有效手段是改變數(shù)字系統(tǒng)或者物理的等效阻抗?？紤]到在物理仿真系統(tǒng)中增加元件比較復(fù)雜，因此應(yīng)該在數(shù)字仿真系統(tǒng)中進(jìn)行改進(jìn)。對(duì)于電壓型ITM，可以采用數(shù)字側(cè)添加并聯(lián)電阻提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[6]。數(shù)字側(cè)添加并聯(lián)電阻減小了數(shù)字系統(tǒng)的等效電阻，并聯(lián)電阻對(duì)于提高接口的穩(wěn)定性空間不大，而且與原仿真系統(tǒng)存在較大差異。還有一種提高PHIL仿真系統(tǒng)穩(wěn)定性的方法是在物理被測(cè)系統(tǒng)添加一個(gè)定值的電感LADD，如圖2所示。

圖2　物理側(cè)添加硬件電感的ITM接口算法

此時(shí)，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:

(3)

存在一個(gè)最小值LADD*，使得LADD>LADD*，維持PHIL仿真系統(tǒng)穩(wěn)定。物理子系統(tǒng)阻抗ZL為ZL=R+iX，具體計(jì)算如下：

(4)

由于τω很小，tanτω≈τω，

(5)

當(dāng)物理仿真系統(tǒng)以阻性負(fù)載為主時(shí)，X<劍冀R，

LADD*=τR

(6)

從仿真精確度的角度來(lái)看，添加的電感LADD選擇越小越好，因此，LADD取值為L(zhǎng)ADD*最為合適。

3　算法穩(wěn)定性仿真驗(yàn)證

為了對(duì)算法穩(wěn)定改進(jìn)措施進(jìn)行驗(yàn)證，在RT_LAB中搭建了兩個(gè)對(duì)比模型，一個(gè)為驗(yàn)證接口算法的簡(jiǎn)單無(wú)源負(fù)載電路模型，另一個(gè)是光伏并網(wǎng)模型，每個(gè)模型分別搭建了原始模型和在原始模型中添加了接口算法的全數(shù)字PHIL模型。接口算法采用前文提到的ITM算法及其改進(jìn)措施，接口模型忽略了實(shí)際接口中的信號(hào)誤差及各種抖動(dòng)，接口延時(shí)假設(shè)在數(shù)字仿真系統(tǒng)到物理仿真系統(tǒng)的信號(hào)傳遞過(guò)程中。

3.1簡(jiǎn)單無(wú)源負(fù)載模型接口電路仿真驗(yàn)證

首先在RT_LAB中搭建圖3上所示的簡(jiǎn)單無(wú)源負(fù)載原始仿真模型，主要由交流電源和簡(jiǎn)單負(fù)載組成，交流電源電壓幅值為100 V，頻率為50 Hz；然后將原始模型按照?qǐng)D3下的形式進(jìn)行電路解耦分成數(shù)字仿真子系統(tǒng)和物理仿真子系統(tǒng)，在全數(shù)字環(huán)境下模擬PHIL仿真，總仿真時(shí)間為0.01 s，為了驗(yàn)證搭建的全數(shù)字PHIL仿真系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，在0.005 s時(shí)閉合開(kāi)關(guān)施加了一個(gè)負(fù)載突變。為了盡可能的仿真實(shí)際情況，利用了RT_LAB各個(gè)子系統(tǒng)之間多速率分布式仿真的優(yōu)勢(shì)，分別用25 μs和1 μs來(lái)模擬仿真系統(tǒng)和真實(shí)的物理系統(tǒng)的仿真步長(zhǎng)，并在模擬功率接口時(shí)，設(shè)定接口延時(shí)為50 μs。三次仿真分別設(shè)置RSRL，得到物理側(cè)電流波形分別如圖4中的a、b和c這三個(gè)圖所示，這三個(gè)圖分別比較了原始模型(圖3上)和PHIL模型(圖3下)各自受到暫態(tài)擾動(dòng)后的電流波形。通過(guò)物理端口電流波形對(duì)比可知：三幅圖中原始模型波形都不振蕩，而PHIL模型在3種情況下分別有不同程度的振蕩：a.RSRL，電流波形發(fā)散性振蕩，失去穩(wěn)定。

圖3　驗(yàn)證電路示意圖

圖4　原始模型和添加接口延時(shí)電路物理側(cè)端口a,b,c電流對(duì)比波形(0-0.01 s，開(kāi)關(guān)閉合動(dòng)作于0.005 s)

在物理端添加由式6計(jì)算的電感LADD，不改變其他仿真條件得到的物理測(cè)電流波形如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，由于接口延時(shí)等原因，系統(tǒng)受擾動(dòng)后會(huì)出現(xiàn)數(shù)值振蕩，當(dāng)物理側(cè)添加補(bǔ)償電感后，由于滿足奈奎斯特的穩(wěn)定性判據(jù)，振蕩會(huì)迅速衰減，但是仍然會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的精度。

圖5　原始模型和添加補(bǔ)償電感的接口延時(shí)電路物理側(cè)端口a,b,c電流對(duì)比波形(同上圖)

實(shí)際PHIL仿真需要采取一定措施抑制振蕩，考慮到在實(shí)際中必然會(huì)增加相應(yīng)的濾波環(huán)節(jié)，實(shí)際裝置輸出的電壓電流也會(huì)受到限制，這將使得PHIL仿真的振蕩受到制約。因此，在PHIL仿真中，功率放大器與實(shí)際被測(cè)的功率裝置之間添加合適的補(bǔ)償電感，能夠有效地消除接口延時(shí)帶來(lái)的影響。

3.2光伏并網(wǎng)模型的接口算法仿真分析

為了模擬光伏并網(wǎng)PHIL平臺(tái)，并驗(yàn)證其是否能在準(zhǔn)確性和

穩(wěn)定性上符合設(shè)計(jì)要求，首先本文在RT_LAB里搭建了圖6所示的光伏并網(wǎng)發(fā)電原始數(shù)字模型，該模型可以仿真不同條件下光伏陣列的發(fā)電情況，模型中加入了實(shí)際光伏發(fā)電的VI曲線，逆變器的控制算法中包含最大功率跟蹤控制算法(MPPT)和并網(wǎng)控制算法[7]。

在光伏并網(wǎng)原始模型基礎(chǔ)上，以逆變器并網(wǎng)點(diǎn)作為整個(gè)PHIL仿真數(shù)學(xué)側(cè)和物理側(cè)的解耦點(diǎn)，使用ITM接口建立光伏并網(wǎng)全數(shù)字PHIL模型，即在圖6中的并網(wǎng)點(diǎn)添加電壓型ITM接口算法模型，此RT_LAB接口算法模型如圖7所示，CCS1-CCS3分別是三相的可控電流源，CVS1-CVS3分別是三相可控的電壓源。為了便于對(duì)比分析，并網(wǎng)點(diǎn)電壓電流采用標(biāo)幺值，正常并網(wǎng)時(shí)每相電壓電流的最大值設(shè)為1 pu。

圖6　1 MW光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

圖7　電壓型ITM接口算法RT_LAB模型

首先用光伏并網(wǎng)原始模型做了一個(gè)光伏并網(wǎng)的試驗(yàn)，得到了圖8所示的光伏系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)的電壓電流波形，在搭建全數(shù)字PHIL模型時(shí)，目標(biāo)就是要得到和圖8最相近的效果。

圖8　原始模型并網(wǎng)點(diǎn)ABC三相電壓電流波形

用數(shù)字仿真模擬PHIL平臺(tái)由功率接口造成的延時(shí)，分別使用50 μs和1 ms來(lái)模擬現(xiàn)有的線性型和開(kāi)關(guān)型功率接口技術(shù)的實(shí)際延時(shí)情況：線性功放的響應(yīng)時(shí)間在5 μs以內(nèi)(加上2個(gè)步長(zhǎng)的數(shù)模交互延時(shí))，延時(shí)時(shí)間設(shè)為50 μs；開(kāi)關(guān)功放的響應(yīng)時(shí)間在1 ms左右。圖9和圖10分別是在施加50 μs和1 ms延時(shí)后的光伏并網(wǎng)仿真波形。

圖9　有接口延時(shí)無(wú)補(bǔ)償電感模型并網(wǎng)點(diǎn)ABC三相電壓電流波形(接口延時(shí)50 μs)

圖10　有接口延時(shí)無(wú)補(bǔ)償電感模型并網(wǎng)點(diǎn)ABC三相電壓電流波形(接口延時(shí)1 ms)

從圖9可以看出，當(dāng)接口延時(shí)很小時(shí)，系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定，但電壓電流存在高頻振蕩，與圖8原始模型仿真結(jié)果差距也較大。從圖10可以看出，接口延時(shí)較大時(shí)，并網(wǎng)過(guò)程中控制信號(hào)誤差的不斷放大，造成系統(tǒng)電壓電流波形發(fā)散，無(wú)法正常并網(wǎng)，而且經(jīng)過(guò)進(jìn)一步仿真發(fā)現(xiàn)接口延時(shí)越大，波形發(fā)散得越快。

采用上文分析改進(jìn)的ITM接口算法，也就是在物理側(cè)添加一個(gè)經(jīng)過(guò)計(jì)算的補(bǔ)償電感，得到圖11所示的仿真結(jié)果。

圖11　有接口延時(shí)并添加補(bǔ)償電感模型并網(wǎng)點(diǎn)ABC三相電壓電流波形(接口延時(shí)50 μs)

由圖11可知，并網(wǎng)過(guò)程中電壓電流快速趨于穩(wěn)定，因此在光伏并網(wǎng)PHIL仿真系統(tǒng)中，逆變器接入功率放電器的時(shí)候添加合適的補(bǔ)償電感可以消除部分接口延時(shí)的影響，但由于接口延時(shí)的存在，此時(shí)的并網(wǎng)緩沖時(shí)間較無(wú)接口延時(shí)長(zhǎng)，多一個(gè)周期。由這個(gè)試驗(yàn)可以知道當(dāng)使用接口延時(shí)小響應(yīng)速度快的功率接口時(shí)需要添加的補(bǔ)償電感較小，與原始模型的仿真結(jié)果更相近，系統(tǒng)仿真精度更高?？梢钥闯龉β式涌诘倪x型是后期項(xiàng)目搭建實(shí)際PHIL系統(tǒng)的關(guān)鍵，需要優(yōu)先選擇諧波失真低、響應(yīng)和轉(zhuǎn)換速度快的功率放大器。

4　結(jié)束語(yǔ)

電力系統(tǒng)PHIL仿真作為一種數(shù)字物理混合仿真，能夠?qū)?shí)際新能源發(fā)電裝置接入微電網(wǎng)中仿真，結(jié)合了數(shù)字仿真和物理模擬各自的優(yōu)勢(shì)。本文分析了簡(jiǎn)單模型系統(tǒng)及光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

的ITM接口算法的穩(wěn)定性和精確性，提出改進(jìn)措施，給出了一種提高接口算法穩(wěn)定性的處理方法，并對(duì)其穩(wěn)定性在RT_LAB上建立詳細(xì)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果顯示此方法能有效提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用的PHIL系統(tǒng)，本文還對(duì)比分析了現(xiàn)有功放技術(shù)對(duì)PHIL仿真的影響，提出選擇響應(yīng)速度快的線性功放在維持系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)還能減小對(duì)系統(tǒng)精度的影響，并且驗(yàn)證了后期項(xiàng)目在線性功率放大器的延時(shí)條件下，采用ITM接口算法的光伏并網(wǎng)PHIL平臺(tái)的暫態(tài)穩(wěn)定性和精確性都能夠符合PHIL仿真研究的要求，可以進(jìn)一步展開(kāi)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的研究和分析。

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A Research on Interface Algorithms for Power Hardware in Loop Simulation in the Photovoltaic Micro-grid

CAI Hai-qing1, ZHANG Jian-she1, TENG Ya-qing2, WU Wen-cong1, GUO Qi1, ZHOU Yin2, ZHOU Yi-jun2

(1. China Southern Power Grid Research Institute, Guangzhou Guangdong 510080, China; 2. Shanghai Keliang Information Engineering Co., Ltd., Shanghai 200233, China)

This paper reviews existing simulation algorithms for power hardware in loop simulation. Based on the ideal transformer model (ITM), it discusses the stability of the algorithm and its improvement measures. Through simulation tests of algorithm of no interface, ITM interface algorithm with uncompensated inductance and ITM interface algorithm with additional compensation inductance, it completes a comparative analysis of the influence of existing power amplifiers upon simulation stability, and verifies that the improved interface algorithm can raise the accuracy and stability of power hardware in loop simulation.

grid-connected photovoltaic system; power hardware in loop simulation; ideal transformer model; interface algorithm;power amplifier

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.014

TM743

A

1000-3886(2016)02-0037-04

蔡海青(1984-)，男，海南人，碩士，從事電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用方面工作。張建設(shè)(1979-)，男，河南人，博士，從事交直流電力系統(tǒng)仿真和RTDS應(yīng)用研究工作。滕亞青(1987-)，男，江蘇人，碩士，從事電力系統(tǒng)仿真應(yīng)用方面工作。

定稿日期: 2015-09-29