CN106054672B - 基于rt-lab的真实微电网运行动态仿真测试平台 - Google Patents

基于rt-lab的真实微电网运行动态仿真测试平台 Download PDF

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Abstract

本发明属于新能源微电网领域,本发明是基于OPRL‑RT公司旗下的基于同一套RT‑LAB硬件设备的两种不同仿真平台HYPERSIM和eMEGAsim,通过HYPERSIM搭建配电网系统,eMEGAsim搭建光伏、储能、氢燃料电池等微源,并采集实际微电网中各微源的输出量作为eMEGAsim模型的输入量,使仿真系统具备真实微网运行特性。本方法充分考虑到数字仿真的缺陷,提供了数字与物理相结合的方式,将实际微网电源的运行特性引入仿真机当中,实现整体微网运行特性的真实化,为设备测试和仿真分析提供更真实的环境。

Description

基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台
技术领域
本发明属于新能源微电网技术领域,特别是涉及到一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台。
背景技术
当前能源局势紧张,环境污染严重,国家下达各类政策支持电网改造,减轻电网供电压力。随着负荷量的不断增长,其对电能质量和供电可靠性提出更高要求。迫于环境保护和能源枯竭的双重压力,微电网以其接在用户侧,具有成本低、电压低以及污染小等特点而开始被人们重视,借势智能电网国家政策,微电网也开始从实验示范阶段逐步向商业化应用阶段转化。但是对于微电网设备和工程来说,当前国内外均没有一个良好的测试环境,从而造成生产的微网设备在实际工程运行当中出现调试困难、故障频发等众多情况,而通过仿真测试平台可以为设备策略、生产及调试打造模拟的微电网环境,及时发现问题,可通过循环测试实现策略的优化和问题的修正。
经查找现有资料分析,传统仿真技术要么采用物理方式,要么采用纯数字方式,这两种方式中前者多为缩小比例的模拟环境,比如模拟阻抗,模拟风机等,且受到场地和容量的限制;而后者采用的纯数字虽对场地及容量没有要求,但由于数字模型多通过等效公式或电路而来,从而造成运行特性的失真。而现有的控制在环和功率在环仿真也均只是将控制板或缩小比例的物理设备接入系统当中,仍然不能完全实现真实微网运行特性仿真环境的搭建。真实的微网运行特性,对于新研制设备在环测试和设备硬件调试的结论影响巨大。目前先进的实时仿真技术主要是通过RT-LAB或RTDS仿真机来实现,或者通过仿真机和部分变流器控制板组建控制在环仿真环境等方式,这些组建方式由于电源仍采用数学模型搭建,因此无法实现微源运行特性的真实化。
发明内容
本发明提供了一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,突破了已有的仿真平台构建方法,避免了常规仿真平台的弊端,可为新型微网设备测试及微网系统工程前期仿真调试提供完全真实的环境,及时发现问题并在线修正,保障设备及工程运行的可靠性,极大减少设备研制及工程调试成本。
本发明的技术方案是这样实现的:一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,包括物理微电网系统、RT-LAB仿真系统、通信系统、微电网能量管理系统;
所述物理微电网系统与RT-LAB仿真系统共用一套微电网能量管理系统,所述微电网能量管理系统实现对系统内所有设备与负荷运行状态的实时监控、实时数据分析和历史存储查询,以及根据微电网运行模式综合考虑信息决策、调整微电网实时运行状态;
所述物理微电网系统与RT-LAB仿真系统之间通过通信系统实现数字量与模拟量的传输与转换;
所述RT-LAB仿真系统包括使用HYPERSIM软件系统搭建的配电网仿真模型、使用eMEGAsim软件系统搭建的配电变压器及以下含有电力电子设备的微电网仿真模型,所述配电网模型和微电网仿真模型都是受控源模型,即采集物理微电网系统对应设备的数据,传输入模型做为控制量。
进一步的,所述物理微电网系统是一个多层嵌套式交直流混合微网群。
更进一步的,所述物理微电网系统包括一个光储主微网,两个光储子微网和一个直流子微网,均通过微网能量管理系统进行统一监控和运行调度;子微网采用即插即用的方式,每一个子微网均有较主微网低一级的保护配置。
再进一步,光储主微网为光伏和锂电池储能构建交流微电网结构;两个光储子微网包括光储灌溉系统和综合能源供应系统;光储灌溉系统是通过光伏和储能构建交流子微电网,为灌溉水泵和照明灯供电,实现微电网在绿色灌溉方面的应用;综合能源供应系统是通过光伏和储能构建交流子微电网,为地源热泵和照明灯供电,实现微电网在冷热电综合能源供应方面的应用;直流子微网是构建光储直流子微网,并通过大型变流器并网,为系统内的直流LED照明灯供电。
进一步的,所述RT-LAB仿真系统中,将HYPERSIM配电网仿真模型的线路终端输出电压、电流信号,传输给eMEGAsim微电网仿真模型中的配电变压器高压侧,组建微电网并网结构。
进一步的,所述物理微电网系统的配电网侧的待测的测控保护装置的电压电流数据,经过通信系统的功率放大器后传输入所述RT-LAB仿真系统的配电网侧做为控制量;所述物理微电网系统的光伏设备侧的测控保护装置的电流数据,经过通信系统的功率放大器后传输入所述RT-LAB仿真系统的光伏设备侧做为控制量;所述物理微电网系统的光伏变流器的SVPWM波,通过通信系统的I/O模块,转换为数字量控制信号,对所述RT-LAB仿真系统当中构建的光伏变流器主电路进行控制。
更进一步的,所述测控保护装置通过MODBUS模块与所述物理微电网系统、RT-LAB仿真系统进行通信连接。
进一步的,所述微电网能量管理系统分为数据采集监控模块和能量管理高级应用模块;所述数据采集监控模块提供数据源、接受指令,并对所有设备与负荷运行状态进行实时监控、实时数据分析和历史存储查询;所述能量管理高级应用模块根据微电网运行模式综合考虑分布式电源及储能系统的现有运行状态、用户负荷供电等级、数据预测参考等信息决策,调整微电网实时运行状态。
更进一步的,所述能量管理高级应用模块包括数据预测单元、优化调度单元、运行控制单元;所述数据预测单元包括光伏预测及负荷预测,为能量管理优化调度单元提供了输入;优化调度单元根据数据预测的预测结果、分时电价信息、上网功率阈值,已输入的负荷优先级、各并网逆变设备的额定容量、储能系统充放电电压/SOC限值,输出优化调度建议指令;运行控制单元根据系统运行的实际工况给出修正建议指令。
本发明具有的优点和积极效果是:
1、突破了已有的仿真平台构建方法,避免了常规仿真平台对运行特性拟合度差的弊端。
2、可为新型微网设备测试及微网系统工程前期仿真调试提供完全真实的环境,及时发现问题并在线修正,保障设备及工程运行的可靠性,极大减少设备研制及工程调试成本。
附图说明
图1是真实微电网特性动态仿真测试平台结构;
图2是物理微电网系统结构;
图3是光伏系统仿真模型构建示意图;
图4是光伏运行原理图;
图5是测控保护设备测试方式图;
图6是变流器设备测试方式图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中,需要理解的是:
(1)模式控制器
可接受和反馈控制信号,控制开关,实现控制策略。
(2)测控保护
具有测量、采集和传输数的功能,也可保护线路,在线路发生异常时保护动作。
(3)能量管理系统
能量管理系统(Energy Management System)是以计算机技术和电力系统应用软件技术为支撑的现代电力系统综合自动化系统,也是能量系统和信息系统的一体化或集成,一般包括数据收集、能量管理和网络分析三大功能。
(4)PCS
储能变流器(PCS)可控制蓄电池的充电和放电过程,进行交直流的变换,在无电网情况下可以直接为交流负荷供电。PCS由DC/AC双向变流器、控制单元等构成。
(5)BMS
电池管理系统(BMS)是电池与PCS之间的纽带,提高电池的利用率,防止电池出现过度充电和过度放电,延长电池的使用寿命,监控电池的状态。
(6)HYPERSIM
HyperSim是由世界知名的电力系统仿真实验室魁北克水电研发中心基于多年来对世界上最复杂输电系统的研究而开发的电磁暂态仿真软件,是目前世界上唯一有能力实现10000+节点仿真分析的超大型电力系统电磁暂态实时仿真的测试系统。
(7)eMEGAsim
eMEGAsim是专为大型电网及电力电子系统的高精度实时仿真,快速控制原型(RCP)及硬件在环仿真测试(HIL)量身定做的高精度、多处理器实时仿真平台。它继承Opal-RT公司的eMEGAsim分布式并行处理思路,基于CoreTM2Quad多核处理器和FPGA技术,能在微秒以下的小步长实时运行,从而精确模拟目前电力系统中的各种电磁暂态,在电力电子仿真领域得到了越来越广泛的应用。
(8)基于RT-LAB的本发明
HYPERSIM和eMEGAsim是OPRL-RT公司旗下的基于同一套RT-LAB硬件设备的两种不同仿真平台。本发明运用HYPERSIM和eMEGAsim双仿真系统,结合实时数据通信技术,构建具有真实运行特性的仿真测试环境,可提高设备和系统仿真测试与实际运行时的结果一致性,同时亦可为微网工程建设的前期调试工作提供建议。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明所建设的真实微网特性动态仿真测试平台,不仅包含有实际微网中使用的光伏、储能等设备模型,也构建了常用的柴油发电机等设备模型,以及测控保护装置、模式控制器、不同敏感度的负荷模型等。仿真测试平台支持二次开发,可拓展新款设备,构建新的微电网组合。仿真测试平台与实际微电网共用一套微网能量管理系统,仿真系统界面上的电气测量数据与实际微电网“四遥”数据同步显示。主要结构如图1所示。
仿真测试平台主要包含物理微电网系统、RT-LAB仿真系统、通信系统、MODBUS模块、功率放大器、微电网能量管理系统,下面对各系统进行详细说明。
一、物理微电网系统:
真实微电网物理系统是一个多层嵌套式交直流混合微网群,涉及的主要设备包括光伏、储能、地源热泵、氢燃料电池等。具体结构如图2所示。
其中,物理微电网系统包括一个光储主微网,两个光储子微网和一个直流子微网,均通过微网能量管理系统进行统一监控和运行调度。实际微网采用“即插即用”的方式,每一个子微网均有着较主微网低一级的保护配置,因此在单个设备或控制模块的测试过程当中出现过压、过流或电能质量超标等情况时,该设备或子微网将会首先自动脱离主网,在测试过程中不影响其他子微网和整体微电网系统的正常运行。
①主微网为光伏和锂电池储能构建交流微电网结构;
②光储灌溉系统是通过光伏和储能构建交流子微电网,为灌溉水泵和照明灯供电,实现微电网在绿色灌溉方面的应用;
③综合能源供应系统是通过光伏和储能构建交流子微电网,为地源热泵和照明灯供电,实现微电网在冷热电综合能源供应方面的应用;
④直流微网是构建光储直流子微网,并通过大型变流器并网,为系统内的直流LED照明灯供电。
系统内的所有储能系统均包含有锂电池、BMS、PCS等主要装置,光伏系统包含有光伏电池和逆变器。储能PCS运行策略主要为恒压/恒频控制(V-f)、恒功率控制(PQ)和下垂控制(Droop)等控制方法。在并网运行时,PCS运行在PQ模式,为系统提供或吸收电能;当外界电网断电时,主微网PCC点断开,主微网储能运行策略由PQ切换为V-f模式,为系统提供电压频率支撑,子微网储能仍运行在PQ模式;当主微网不能供电时,子微网亦可无缝切换至离网运行,此时子微网内储能系统运行在V-f模式。
二、RT-LAB仿真系统:
包括仿真主机和实时目标机,两套硬件设备(OP5600),分别采用HYPERSIM和eMEGAsim软件系统。其中使用HYPERSIM搭建配电网模型,可模拟正常和故障(包括电压波动、频率波动、对称或不对称短路、雷击、线路断开等电网故障)情况下的配电网;使用eMEGAsim搭建配电变压器及以下含有电力电子设备较多的微电网仿真模型。通过OP5607实现两个系统之间的通信,将HYPERSIM配电网线路终端输出电压、电流信号,经OP5607传输给eMEGAsim当中的配电变压器高压侧,组建微电网并网结构。
配电网和微电网模型均包括两种类型,一种搭建符合实际设备特性的纯数字模型,另一种是受控源模型(采集物理微电网对应设备的电压电流数据,经过功率放大器后传输入模型做为控制量)。下面以光伏并网结构为例,就仿真测试平台如何实现真实设备信息接入以及如何实现控制器测试作详细说明。
如图3所示,同步运行时模拟微网系统中电侧和光伏设备由实际信号控制;光伏逆变控制器(板)的信号采集来自实际微网系统,同时控制实际微网和模拟微网中的IGBT;待测的测控保护单元的信号采集来自模拟微网系统(实现对故障信号的响应),同时控制实际微网和模拟微网中的继电器,完成对待测设备性能试。
在仿真模拟系统中,光伏设备可以自行运行,也可以由外部控制运行,其原理如图4所示。
三、通信系统:
I/O模块主要用于物理微电网系统与模拟微电网系统之间数字量与模拟量的传输与转换,例如光伏变流器的SVPWM波,可通过接收物理微电网系统输入的模拟量数据,将之转换为数字量控制信号,再对仿真系统当中构建的光伏变流器主电路进行控制,实现变流器输出特性的真实化。
四、MODBUS模块:
可实现测控保护等二次设备与物理和模拟微电网系统之间的通信连接,用于进行测控保护装置开发与测试时数据的传输。
五、功率放大器:
为四象限功率变换装置,可实现三相或单相模拟量输入和输出符合实时仿真机工作环境要求。
六、微网能量管理系统(MEMS):
微网能量管理系统分为数据采集监控和能量管理高级应用两大模块。
(1)数据采集监控系统作为MEMS的数据中枢,除为其他模块提供数据源外,还能接受其他模块发出的指令,可实现对系统内所有设备与负荷运行状态的实时监控、实时数据分析和历史存储查询。
(2)能量管理高级应用模块是MEMS的核心模块,它决定了MEMS的行为,决定了MEMS的智能化程度。能量管理模块可以根据微电网运行模式综合考虑分布式电源及储能系统的现有运行状态,用户负荷供电等级,数据预测参考等信息决策、调整微电网实时运行状态。能量管理高级应用模块主体功能包括:数据预测、优化调度、运行控制。其中,数据预测算法包括光伏预测及负荷预测,为能量管理优化调度算法提供了输入。能量管理算法包括优化调度和运行控制两部分。优化调度算法会根据数据预测的预测结果、分时电价信息(包括买电及卖电价格)、上网功率阈值,已输入的负荷优先级、各并网逆变设备的额定容量、储能系统充放电电压/SOC限值,输出优化调度建议指令。运行控制算法根据系统运行的实际工况给出修正建议指令。用户可以自行决定建议指令是否自动下发。
本测试平台可基于多层嵌套式微网真实运行特性进行微网关键设备测试、新结构微网运行稳定性测试,以及不同组网形式下的微网优化调度策略测试。
由于实际微网采用“即插即用”的方式,因此在检测中心可以实现单个设备性能检测、新结构微电网的可靠性检测以及控制策略的定制开发等。
实际微网当中每一个子微网均有着较主微网低一级的保护配置,因此在单个设备或控制模块的测试过程当中出现过压、过流或电能质量超标时,子微网将会自动脱离主网重启,因此在测试过程中不影响整体微电网系统正常运行。
1、新型微电网设备性能检测
(1)继电保护设备检测
实测继电保护设备对某个并网开关的控制策略,先将该保护设备控制信号接入eMAGAsim仿真系统中的对应模型信号接收点,通过eMAGAsim仿真系统仿真故障情况,或者通过HYPERSIM系统模拟电网故障,故障类型包括电压波动、频率波动、对称短路、不对称短路、断线、电压跌落等情况。实时分析保护设备动作策略和灵敏度,仿真系统当中可实时观察并记录该保护设备运行和动作状态。可在设备实际应用于微网工程建设前,最大限度找出隐患,提高设备运行可靠性。如图5所示。
(2)PCS等控制模块检测
如图6所示,将被测PCS设备替换当前实际系统中的PCS,将脉冲调节信号接入eMAGAsim仿真系统对应的PCS当中,通过仿真平台模拟负荷投切、电源并离网、光照风速等外界资源突变、运行模式切换等,通过不断进行在线调试参数,使得设备运行输出波形可以达到预期结果,同时可进一步在整体微网环境当中,进行系统级测试,实时跟踪记录该PCS在不同工况的暂稳态变化。以发现设备在真实系统运行当中出现的问题,并重复进行测试与解决,以提高设备在实际微网当中运行的可靠性。
2、组建新结构微电网系统测试
对于新结构的微网,可以通过在现有设备模型的基础上加入生物质和柴油发电机等微源,所有设备的实际控制板均可接入测试平台当中进行硬件在环仿真,对于没有控制板的设备,亦可用最逼近实际设备特性的模型替代。通过能量管理系统对仿真系统的微网进行运行调度控制,可实现并离网切换,暂稳态运行仿真分析,以及发电预测及负荷预测、秒级调度和中长期调度等运行策略的测试与分析等功能。
以上对本发明的实施例进行了详细说明,但所述内容仅为本发明的较佳实施例,不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等,均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (9)

1.一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,其特征在于,包括物理微电网系统、RT-LAB仿真系统、通信系统、微电网能量管理系统;
所述物理微电网系统与RT-LAB仿真系统共用一套微电网能量管理系统,所述微电网能量管理系统实现对系统内所有设备与负荷运行状态的实时监控、实时数据分析和历史存储查询,以及根据微电网运行模式综合考虑信息决策、调整微电网实时运行状态;
所述物理微电网系统与RT-LAB仿真系统之间通过通信系统实现数字量与模拟量的传输与转换;
所述RT-LAB仿真系统包括使用HYPERSIM软件系统搭建的配电网仿真模型、使用eMEGAsim软件系统搭建的配电变压器及含有电力电子设备的微电网仿真模型,所述配电网仿真模型和微电网仿真模型都是受控源模型,即采集物理微电网系统对应设备的数据,传输入模型做为控制量;
所述物理微电网系统与RT-LAB仿真系统同步运行时RT-LAB仿真系统中配电网侧和光伏设备由实际信号控制;光伏逆变控制器的信号采集来自物理微电网系统,同时控制物理微电网系统和RT-LAB仿真系统中的IGBT;待测的测控保护单元的信号采集来自RT-LAB仿真系统,实现对故障信号的响应,同时控制物理微电网系统和RT-LAB仿真系统中的继电器,完成对待测设备性能测试。
2.根据权利要求1所述的一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,其特征在于,所述物理微电网系统是一个多层嵌套式交直流混合微网群。
3.根据权利要求2所述的一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,其特征在于,所述物理微电网系统包括一个光储主微网,两个光储子微网和一个直流子微网,均通过微电网能量管理系统进行统一监控和运行调度;子微网采用即插即用的方式,每一个子微网均有较主微网低一级的保护配置。
4.根据权利要求3所述的一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,其特征在于,光储主微网为光伏和锂电池储能构建交流微电网结构;两个光储子微网包括光储灌溉系统和综合能源供应系统;光储灌溉系统是通过光伏和储能构建交流子微电网,为灌溉水泵和照明灯供电,实现微电网在绿色灌溉方面的应用;综合能源供应系统是通过光伏和储能构建交流子微电网,为地源热泵和照明灯供电,实现微电网在冷热电综合能源供应方面的应用;直流子微网是构建光储直流子微网,并通过大型变流器并网,为系统内的直流LED照明灯供电。
5.根据权利要求1所述的一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,其特征在于,所述RT-LAB仿真系统中,将HYPERSIM配电网仿真模型的线路终端输出电压、电流信号,传输给eMEGAsim微电网仿真模型中的配电变压器高压侧,组建微电网并网结构。
6.根据权利要求1所述的一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,其特征在于,所述物理微电网系统的配电网侧的待测的测控保护单元的电压电流数据,经过通信系统的功率放大器后传输入所述RT-LAB仿真系统的配电网侧作为控制量;所述物理微电网系统的光伏设备侧的测控保护单元的电流数据,经过通信系统的功率放大器后传输入所述RT-LAB仿真系统的光伏设备侧作为控制量;所述物理微电网系统的光伏变流器的SVPWM波,通过通信系统的I/O模块,转换为数字量控制信号,对所述RT-LAB仿真系统当中构建的光伏变流器主电路进行控制。
7.根据权利要求6所述的一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,其特征在于,所述测控保护单元通过MODBUS模块与所述物理微电网系统、RT-LAB仿真系统进行通信连接。
8.根据权利要求1所述的一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,其特征在于,所述微电网能量管理系统分为数据采集监控模块和能量管理高级应用模块;所述数据采集监控模块提供数据源、接受指令,并对所有设备与负荷运行状态进行实时监控、实时数据分析和历史存储查询;所述能量管理高级应用模块根据微电网运行模式综合考虑分布式电源及储能系统的现有运行状态、用户负荷供电等级、数据预测参考,调整微电网实时运行状态。
9.根据权利要求8所述的一种基于RT-LAB的真实微电网运行动态仿真测试平台,其特征在于,所述能量管理高级应用模块包括数据预测单元、优化调度单元、运行控制单元;所述数据预测单元包括光伏预测及负荷预测,为优化调度单元提供了输入;优化调度单元根据数据预测的预测结果、分时电价信息、上网功率阈值,已输入的负荷优先级、各并网逆变设备的额定容量、储能系统充放电电压/SOC限值,输出优化调度建议指令;运行控制单元根据系统运行的实际工况给出修正建议指令。
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