光儲直流微電網(wǎng)控制器硬件在環(huán)仿真平臺開發(fā)*

沈 華, 陳葛亮, 林 林, 張曉琳

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 南通供電分公司, 江蘇 南通 226000;2.中國電力科學(xué)研究院有限公司, 江蘇 南京 210003)

0 引 言

近年來分布式新能源發(fā)展迅猛,為實現(xiàn)分布式新能源的高效利用,基于分布式光伏、儲能等新能源的直流輸出特性,直接向直流負(fù)載供電,構(gòu)建局部性的直流供電系統(tǒng)將是一種行之有效的方法,可有效地降低分布式新能源的交直流變換損耗,提高其利用效率[1-4]。

與交流微電網(wǎng)相比,直流微電網(wǎng)中電壓只涉及幅值沒有頻率控制問題,直流系統(tǒng)的電能質(zhì)量更容易保證。在不增加互聯(lián)交流配電網(wǎng)短路容量的前提下,直流微電網(wǎng)可以有效地維持交流配電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定,改善原有交流配電網(wǎng)中電能質(zhì)量的問題,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5-8]。但是直流母線電壓易受間歇性新能源及負(fù)荷的影響而失穩(wěn),且交流電網(wǎng)發(fā)生故障時,分布式直流微電網(wǎng)對電網(wǎng)的故障影響和故障響應(yīng)能力無法預(yù)知[9-14]。若建立微電網(wǎng)試驗平臺,資金投入大,且在實際試驗過程中涉及到大功率、強(qiáng)電流測試,使得故障和極限條件下的測試尤為不足,實時仿真測試平臺可以彌補(bǔ)諸多不足。但是,如果采用全數(shù)字仿真平臺進(jìn)行研究時,則完全脫離了對硬件的依賴,部分暫態(tài)特性無法精確模擬。利用先進(jìn)的實時仿真軟件,結(jié)合硬件在環(huán)仿真技術(shù),則可以很好地解決這個矛盾[15-16]。因此,本文提出一種能夠真實反映微電網(wǎng)特性的硬件在環(huán)仿真平臺實現(xiàn)方法,對直流微電網(wǎng)特性進(jìn)行分析,進(jìn)而輔助調(diào)度決策。

1 控制器硬件在環(huán)仿真

基于RT-LAB仿真系統(tǒng)開發(fā)光儲直流微電網(wǎng)實時仿真平臺。RT-LAB實時仿真器是加拿大Opal-RT公司開發(fā)的一套基于模型的工程設(shè)計和測試應(yīng)用平臺,包括主機(jī)和目標(biāo)機(jī)兩部分。硬件在環(huán)仿真連接如圖1所示。主機(jī)為運(yùn)行Windows操作系統(tǒng)的PC,安裝有MATLAB/Simulink、RT-LAB軟件,完成建模、在線調(diào)整參數(shù)及信號監(jiān)控等工作,也稱為上位機(jī)。目標(biāo)機(jī)包括基于PC設(shè)計的并可并行運(yùn)算CPU處理器和FPGA處理器,完成系統(tǒng)模型的編譯和計算等工作,也稱為下位機(jī)。主機(jī)和目標(biāo)機(jī)的仿真模型通過TCP/IP進(jìn)行交互[17-19]。

2 平臺總體設(shè)計

光儲直流微電網(wǎng)拓?fù)淙鐖D2所示。由30 kW光伏直流發(fā)電系統(tǒng)、180 kWh 儲能系統(tǒng)、30 kW直流負(fù)荷以及100 kW并網(wǎng)接口裝置組成。其中,并網(wǎng)接口裝置主要功能實現(xiàn)直流微電網(wǎng)與交流電網(wǎng)之間有功功率控制。DC/DC變換器的作用是將儲能單元和光伏電壓抬升到直流母線的電壓等級。

基于RT-LAB的直流微電網(wǎng)硬件在環(huán)仿真平臺如圖3所示。

平臺包括仿真模型、物理I/O接口和真實控制器3部分。其中,仿真模型為直流微電網(wǎng)一次回路模型,由亞微秒級仿真步長的FPGA網(wǎng)表模型和微秒級仿真步長的CPU模型組成;真實控制器為光伏DC/DC變換器控制器、儲能DC/DC變換器控制器和并網(wǎng)接口裝置控制器,實現(xiàn)控制策略計算;物理I/O接口實現(xiàn)一次回路模型和對應(yīng)的真實控制器的無縫對接。

以光伏DC/DC變換器為例,通過光伏DC/DC變換器一次電氣回路模型的電壓、電流等模擬量信號,通過物理I/O接口輸出至光伏控制器,控制器將脈沖信號、開關(guān)信號等返回至主電路仿真模型中,驅(qū)動光伏DC/DC變換器主電路模型運(yùn)行。

3 仿真模型建立

直流微電網(wǎng)一次回路模型中涉及的具體模型:光伏陣列模型、儲能電池模型、DC/DC變換器、DC/AC變換器、變壓器模型以及電網(wǎng)模型。上述模型中,光伏陣列、儲能電池和電網(wǎng)模型對仿真步長要求均不高,而涉及到電力電子器件的電路部分,尤其是DC/DC變換器,開關(guān)頻率均大于10 kHz,傳統(tǒng)基于CPU處理器的實時仿真已經(jīng)不能滿足仿真精度的需求,需要采用RT-LAB的eFPGAsim工具來實現(xiàn),借助eFPGAsim提供的模型庫及電氣硬件解算器(e-Hardware Solver,eHS)算法,建立網(wǎng)表模型,能實現(xiàn)電力電子拓?fù)涞幕贔PGA的硬件在環(huán)實時仿真,實現(xiàn)亞微秒級仿真[20-23]。因此,直流微電網(wǎng)一次回路模型中,光伏陣列模型、儲能電池模型和電網(wǎng)模型均在CPU中建模,兩組DC/DC變換器以及并網(wǎng)接口裝置DC/AC變換器模型在eHS建模。CPU模型和FPGA模型通過解耦模型進(jìn)行連接。

光伏陣列模型、儲能電池模型以及電網(wǎng)模型在文獻(xiàn)中已有許多描述[8,24]。本節(jié)著重介紹由電力電子變換器組成的網(wǎng)表模型和不同仿真步長之間的解耦模型。

3.1 網(wǎng)表模型

基于FPGA的實時仿真支持特定的電力電子電路器件,通過這些特定的電氣元件可搭建任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力電子電路。基于FPGA eHS能實現(xiàn)仿真步長為200 ns至1 ms實時仿真。因此,基于SimPowerSystems模型的編輯接口,建立DC/DC主電路和DC/AC主電路,設(shè)置電路元器件參數(shù),形成電力電子電路網(wǎng)表模型。將網(wǎng)表模型直接下載至FPGA中,可對電路進(jìn)行實時仿真。

3.2 解耦模型

直流輸入側(cè)的光伏陣列、儲能電池模型在文獻(xiàn)中已有眾多描述,在此不再詳細(xì)介紹。其模型多基于數(shù)學(xué)公式和受控源方式組成,不需要電路解耦,需要通過解耦模型進(jìn)行分割。

并網(wǎng)接口裝置模型與電網(wǎng)模型原本屬于同一電路中,若將其分為兩部分采用不同的仿真步長、置于不同的處理器中進(jìn)行解算,需要進(jìn)行解耦,且解耦模塊之間的連接為信號連接,而非電氣連接。在此,基于變壓器T型等效電路實現(xiàn)兩種仿真時間尺度模型解耦。

變壓器解耦主要依據(jù)變壓器實際參數(shù),建立變壓器T型等效模型,并將變壓器一次側(cè)或二次側(cè)的短路電感進(jìn)行離散化[21-22],拆分為兩部分,分別置于不同仿真尺度的模型中,并通過電感的伏安特性公式離散化實現(xiàn)電氣量信號的傳遞與解耦。

對于任意電感L,伏安特性公式為

(1)

對式(1)進(jìn)行等效變換,并進(jìn)行積分,可以得到:

(2)

將式(2)展開,可以得到:

(3)

(4)

假定步長為Ts,將式(4)離散化,可以得到:

(5)

通過式(5)可知,電感L可以用電壓源與電阻的串聯(lián)來表示,電感離散化電路如圖4所示。

其中:

K1=-2L/Ts

(6)

R1=2L/Ts

(7)

因此,將電感拆分的兩部分均進(jìn)行伏安特性離散化,基于離散化公式中的受控信號實現(xiàn)模型的信號連接。

4 試驗分析

基于控制器硬件在環(huán)仿真平臺對直流微電網(wǎng)進(jìn)行相關(guān)試驗,平臺軟硬件參數(shù)如表1所示。

表1 平臺軟硬件參數(shù)

以自啟動試驗進(jìn)行分析。直流供電系統(tǒng)自啟動是指在離網(wǎng)運(yùn)行或是因故障停運(yùn)后,系統(tǒng)能夠在不依賴其他網(wǎng)絡(luò)幫助下,利用內(nèi)部儲能單元直接為協(xié)調(diào)控制器以及二次回路供電,使整個系統(tǒng)在離網(wǎng)狀態(tài)下能夠逐步恢復(fù)運(yùn)行。微電網(wǎng)系統(tǒng)中,儲能電池作為主電源通過DC/DC建立起母線電壓,光伏電池通過DC/DC接入直流母線并完成開機(jī)。儲能電池建立母線電壓波形如圖5所示。由圖5可知,經(jīng)100 ms建立起穩(wěn)定的直流母線電壓。

光伏啟動波形如圖6所示。由圖6可知,光伏DC/DC在MPPT模式下投入運(yùn)行,經(jīng)40 ms達(dá)到最大功率點(diǎn),輸出功率為29.8 kW。

5 結(jié) 語

基于RT-LAB控制器硬件在環(huán)仿真技術(shù),建立了多控制器硬件在環(huán)的光伏直流微電網(wǎng)實時仿真平臺?；谧儔浩鹘怦罱５腃PU和FPGA聯(lián)合解算技術(shù),實現(xiàn)高頻DC/DC變換器的精確建模與實時仿真,基于物理I/O接口實現(xiàn)3套真實控制器與RT-LAB仿真的對接,最終通過所建平臺開展相關(guān)試驗,驗證了所建平臺的正確性。控制器是決定控制性能的核心部分,該平臺建立為其未來工程實現(xiàn)中的相關(guān)系統(tǒng)的研發(fā)提供有力的支撐,真實模擬直流微電網(wǎng)特性,進(jìn)而輔助調(diào)度決策。