CN106560750B - 一种面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，包括通用实时仿真器、控制器、物理仿真接口装置和接口电路，所述控制器由PWM控制器、数模转换器、输入模块和输出模块构成，并且物理仿真及接口装置主要由模拟量传输模块、功率放大器、电压互感器、电流互感器、四象限变流器、滤波电路和并网开关组成，涉及数字物理混合仿真技术领域。本发明可以更真实可靠的仿真出光伏并网的动态特性，同时可以通过上位机对光伏并网设备进行远程操作和实时监控，避免了其仿真结果往往受到模型本身、参数、算法的影响，改变了物理模拟投资较大，参数难以改变，规模受到限制的问题。

Description

一种面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置
技术领域
本发明涉及数字物理混合仿真技术领域，具体为一种面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置。
背景技术
微电网也译为微网，是指由分布式电源、储能装置、能量转换装置、负荷、监控和保护装置等组成的小型发配电系统。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。微电网的提出旨在实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。微电网是相对传统大电网的一个概念，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，并通过静态开关关联至常规电网。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，使传统电网向智能电网过渡。
国内微电网研究处于起步探索阶段，国家电网公司是微电网技术研究的主要机构。国网电科院微电网技术体系研究项目通过验收。该项目首次提出了中国微电网技术体系，涵盖微电网核心技术框架、电网应对微电网的策略、技术标准和政策等，制定了我国微电网发展线路和技术路线图，对我国微电网不同发展阶段提出了积极的意见和建议。
大容量光伏与储能装置及其他分布式电源接入电网，将改变传统电网的运行动态特性。尤其微电网中接入大量分布式电源，微电网的动态行为及其提供的电能质量都可能出现不满足技术要求的问题。为此，开展分布式电源及微电网的数字物理混合仿真是非常必要的。
发明内容
针对现有微网物理仿真系统往往受到模型本身、参数、固化算法的影响，仿真结果可信度不高，且物理模拟投资较大，参数难以改变，规模受到限制的问题，本发明提供了一种面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，解决了该仿真领域难以满足对未来微电网与分布式电源模拟的技术要求。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，包括通用实时仿真器、控制器、物理仿真接口装置和接口电路，所述控制器由PWM控制器、数模转换器、输入模块和输出模块构成，并且物理仿真及接口装置主要由模拟量传输模块、功率放大器、电压互感器、电流互感器、四象限变流器、滤波电路和并网开关组成。
所述通用实时仿真器与控制器实现双向信号连接，并且控制器与物理仿真及接口装置实现双向连接，所述物理仿真及接口装置通过直流电压变换器与光伏与蓄能装置并联，并且物理仿真及接口装置通过交流电压变换器与电压控制信号并联，所述四象限变流器、滤波电路和并网开关均与电压互感器和电流互感器连接，并且电压互感器和电流互感器均与功率放大器连接。
优选的，所述控制器通过以太网通信模块与通用实时仿真器实时互联，并且控制器与功率机箱通过标准RSDB-串口互联。
优选的，所述接口电路包括电压控制电路和电流反馈电路，并且电压控制电路和电流反馈电路均位于通用实时仿真器、控制器和物理仿真接口装置之间。
优选的，所述通用实时仿真器运行电网部分，经过四象限变流接口电路，连接光伏、储能、分布式电源等物理系统。
优选的，所述通用实时仿真器内部设置有网口一和网口二，并且输入模块包括网口三，所述输出模块包括网口四和串口一，所述网口一的输出端与网口三的输入端连接，并且网口二的输入端与网口四的输出端连接。
优选的，所述模拟量传输模块包括串口二和串口三，并且串口一的输出端与串口二的输入端连接，所述串口三的输出端与PWM控制器的输入端连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过通用实时仿真器运行大电网数字仿真模型，经过接口电路连接实际光伏与储能物理系统，同时通过实时仿真器运行四象限变流器控制程序，控制光伏逆变；并网之后，将并网电流反馈到数字仿真模型中，以受控电流源的形式接入数字接口，构成电流反馈电路；可以更真实可靠的仿真出光伏并网的动态特性，同时可以通过上位机对光伏并网设备进行远程操作和实时监控，解决了数字仿真难以满足对未来电网模拟技术要求的情况，避免了其仿真结果往往受到模型本身、参数、算法的影响，极大的提高了可信度程度，改变了物理模拟投资较大，参数难以改变，规模受到限制的问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中通用实时仿真器的结构示意图；
图3为本发明中控制器的结构示意图；
图4为本发明中物理仿真接口装置的结构示意图；
图5为本发明中接口电路的结构示意图；
图6为本发明中仿真的结构示意图。
附图标记说明：1-通用实时仿真器、101-网口一、102-网口二、2-控制器、21-PWM控制器、22-数模转换器、23-输入模块、231-网口三、24-输出模块、241-网口四、242-串口一、3-物理仿真接口装置、31-模拟量传输模块、311-串口二、312-串口三、32-功率放大器、33-电压互感器、34-电流互感器、35-四象限变流器、36-滤波电路、37-并网开关、4-接口电路、41-电压控制电路、42-电流反馈电路、5-直流电压变换器、6-光伏与蓄能装置、7-交流电压变换器、8-电压控制信号。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明的实施例：面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，如图1～6所示，包括通用实时仿真器1、控制器2、物理仿真接口装置3和接口电路4，控制器2由PWM控制器21、数模转换器22、输入模块23和输出模块24构成，并且物理仿真及接口装置3主要由模拟量传输模块31、功率放大器32、电压互感器33、电流互感器34、四象限变流器35、滤波电路36和并网开关37组成。
PWM控制器21是指用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制，是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法；以数字方式控制模拟电路，可以大幅度降低系统的成本和功。
数模转换器22在附图中为D/A，数模转换器22又称D/A转换器，简称DAC，它是把数字量转变成模拟的器件；D/A转换器基本上由四个部分组成，即权电阻网络、运算放大器、基准电源和模拟开关。模数转换器中一般都要用到数模转换器，模数转换器即A/D转换器，简称ADC，它是把连续的模拟信号转变为离散的数字信号的器件；转换原理：数字量是用代码按数位组合起来表示的，对于有权码，每位代码都有一定的位权；为了将数字量转换成模拟量，必须将每一位的代码按其位权的大小转换成相应的模拟量，然后将这些模拟量相加，即可得到与数字量成正比的总模拟量，从而实现了数字—模拟转换。
电压互感器33在附图中为PT，其工作原理与变压器相同，基本结构也是铁心和原、副绕组；特点是容量很小且比较恒定，正常运行时接近于空载状态；电压互感器33本身的阻抗很小，一旦副边发生短路，电流将急剧增长而烧毁线圈；为此，电压互感器的原边接有熔断器，副边可靠接地，以免原、副边绝缘损毁时，副边出现对地高电位而造成人身和设备事故。
电流互感器34在附图中为CT，电流互感器34原理是依据电磁感应原理制成的；电流互感器34是由闭合的铁心和绕组组成；它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次侧绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器34在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联线圈的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路；电流互感器34是把一次侧大电流转换成二次侧小电流来测量，二次侧不可开路。
通用实时仿真器1与控制器2实现双向信号连接，并且控制器2与物理仿真及接口装置3实现双向连接，物理仿真及接口装置3通过直流电压变换器5与光伏与蓄能装置6并联，并且物理仿真及接口装置3通过交流电压变换器7与电压控制信号8并联，四象限变流器35、滤波电路36和并网开关37均与电压互感器33和电流互感器34连接，并且电压互感器33和电流互感器34均与功率放大器32连接。
本发明中，控制器2通过以太网通信模块与通用实时仿真器1实时互联，并且控制器2与功率机箱通过标准RS232DB-25串口互联。
本发明中，接口电路4包括电压控制电路41和电流反馈电路42，并且电压控制电路41和电流反馈电路42均位于通用实时仿真器1、控制器2和物理仿真接口装置3之间，电压控制电路41是由在通用实时仿真器1运行的电网数字仿真模型接口电压经控制器2中设置有的数模转换器22进行转换，在功率机箱中实现电压级功率放大，作为并网电压，同时通用实时仿真器1运行变流器控制程序，控制光伏逆变，并网之后，将并网电流反馈到数字仿真模型中，以受控电流源的形式接入数字接口，构成电流反馈电路42。
本发明中，通用实时仿真器1运行电网部分，经过四象限变流接口电路，连接光伏、储能、分布式电源等物理系统。
本发明中，通用实时仿真器1内部设置有网口一101和网口二102，并且输入模块23包括网口三231，输出模块24包括网口四241和串口一242，网口一101的输出端与网口三231的输入端连接，并且网口二102的输入端与网口四241的输出端连接。
本发明中，模拟量传输模块31包括串口二311和串口三312，并且串口一242的输出端与串口二311的输入端连接，串口三312的输出端与PWM控制器21的输入端连接。
本发明的工作原理：先将光伏与储能装置6接入物理仿真及接口装置3后，启动四象限变流器35控制程序，完成逆变；然后，通用实时仿真器1运行大电网数字仿真模型，将接口电压控制信号通过控制器2中设置有的数模转换器22传输到物理仿真及接口装置3，经过电压级功率放大作为光伏并网的系统电压；之后，待满足并网条件后，闭合并网开关37，测量并检测光伏并网设备动态特性；同时，利用电流互感器34测得并网电流，经过控制器2反馈到实时通用实时仿真器1中，将反馈回的电流状态量接入数字模型接口的受控电流源模块；最后，利用上位机远程操作和实时监控。
综上所述，该面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，通过采用通用实时仿真器1运行大电网数字仿真模型，经过接口电路4，连接实际光伏与储能物理系统；接口电路4包括电压控制电路41和电流反馈电路42；电压控制电路42是由在通用实时仿真器运行的大电网数字仿真模型接口电压经控制器2中设置有的数模转换器22，在功率机箱中实现电压级功率放大，作为并网电压；同时通过实时仿真器1运行四象限变流器35控制程序，控制光伏逆变；并网之后，将并网电流反馈到数字仿真模型中，以受控电流源的形式接入数字接口，构成电流反馈电路42；可以更真实可靠的仿真出光伏并网的动态特性，同时可以通过上位机对光伏并网设备进行远程操作和实时监控，解决了数字仿真难以满足对未来电网模拟技术要求的情况，避免了其仿真结果往往受到模型本身、参数、算法的影响，极大的提高了可信度程度，改变了物理模拟投资较大，参数难以改变，规模受到限制的问题。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，包括通用实时仿真器(1)、控制器(2)、物理仿真接口装置(3)和接口电路(4)，其特征在于：所述控制器(2)由PWM控制器(21)、数模转换器(22)、输入模块(23)和输出模块(24)构成，并且物理仿真接口装置(3)主要由模拟量传输模块(31)、功率放大器(32)、电压互感器(33)、电流互感器(34)、四象限变流器(35)、滤波电路(36)和并网开关(37)组成；
所述通用实时仿真器(1)与控制器(2)实现双向信号连接，并且控制器(2)与物理仿真接口装置(3)实现双向连接，所述物理仿真接口装置(3)通过直流电压变换器(5)与光伏与蓄能装置(6)并联，并且物理仿真接口装置(3)通过交流电压变换器(7)与电压控制信号(8)并联，所述四象限变流器(35)、滤波电路(36)和并网开关(37)均与电压互感器(33)和电流互感器(34)连接，并且电压互感器(33)和电流互感器(34)均与功率放大器(32)连接。
2.根据权利要求1所述的面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，其特征在于：所述的控制器(2)通过以太网通信模块与通用实时仿真器(1)实时互联，并且控制器(2)与功率机箱通过标准RS232DB-25串口互联。
3.根据权利要求1所述的面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，其特征在于：所述接口电路(4)包括电压控制电路(41)和电流反馈电路(42)，并且电压控制电路(41)和电流反馈电路(42)均位于通用实时仿真器(1)、控制器(2)和物理仿真接口装置(3)之间。
4.根据权利要求1所述的面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，其特征在于：所述的通用实时仿真器(1)运行电网部分，经过四象限变流接口电路，连接光伏、储能、分布式电源三种物理系统。
5.根据权利要求1所述的面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，其特征在于：所述的通用实时仿真器(1)内部设置有网口一(101)和网口二(102)，并且输入模块(23)包括网口三(231)，所述输出模块(24)包括网口四(241)和串口一(242)，所述网口一(101)的输出端与网口三(231)的输入端连接，并且网口二(102)的输入端与网口四(241)的输出端连接。
6.根据权利要求1所述的面向微网与分布式电源的数字物理混合仿真装置，其特征在于：所述的模拟量传输模块(31)包括串口二(311)和串口三(312)，并且串口一(242)的输出端与串口二(311)的输入端连接，所述串口三(312)的输出端与PWM控制器(21)的输入端连接。
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