CN107390550A - 一种含光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台及仿真方法，该直流配电网数字物理仿真平台包括LabVIEW和StarSim软件开发平台和NI PXI平台；所述LabVIEW和StarSim仿真开发平台用于开发直流配电网的软件仿真模型，以及创建用户界面；NI PXI平台用于测量与控制。因此本文建立含光伏发电系统的并网直流配电网数字物理仿真平台以提高仿真速度，优化仿真效果，用以研究使直流配电网系统能够稳定运行并在此基础上进行一系列相关研究的仿真平台。

Description

一种含光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台及 仿真方法

技术领域

本发明涉及一种含光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台及仿真方法，属于配电网仿真实验技术领域。

背景技术

在电力系统发展之初，最先应用到输配电系统中的电能传输方式是直流。但是早期的电力技术水平不高、直流输配电系统的电压等级较低且电压变换困难等一系列的原因让以直流逐渐被电压等级高、易于实现电压变换、可长距离传输且传输损耗较低的交流输配电系统所取代。二十世纪末，随着半导体和电力电子技术的飞速发展，直流输电的电压变换有了新的突破，直流输电在长距离、大容量输电时具有很大的优势。直流配电方面，针对环境和能源现状的需求、分布式能源大力发展的现状，直流配电网有网络损耗小、建设成本低、供电容量大、供电可靠性高等优点。直流配电网经济和能量优势逐渐突显出来，越来越受到人们的重视。因此我们构建含有光伏这一分布式能源的直流配电网仿真平台，为进行相关研究打下基础。

发明内容

本发明采用如下的技术方案：

一种含风机和光伏发电的直流配电网数字物理仿真平台，其特征在于：

包括LabVIEW和StarSim仿真开发平台；包括NI PXI测量与控制平台；

所述LabVIEW和StarSim仿真平台开发的直流配电网仿真模型包括太阳能光伏发电系统；所述用户界面包括用户发出对模型的控制指令，以及对模型进行潮流计算的结果波形显示；

所述NI PXI测量与控制平台包括具有定时和同步功能的机箱、系统控制器模块、外围模块；

所述外围模块包括配有Virtex-5 LX110 FPGA的R系列多功能RIO模块、针对于DSP的Xilinx Kintex-7 FPGA模块、高压模拟输入模块、10V输入的前置式接线盒和高速模拟输出模块。

在上述的一种含光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台，直流配电网数字物理仿真平台中，所述LabVIEW和StarSim仿真开发平台用于开发直流配电网的软件仿真模型，所述具有定时和同步功能的机箱控制器和模块提供了电源、冷却以及PCI和PCIExpress通信总线；所述系统控制器模块可以是具备配软Windows操作系统或实时操作系统(NI LabVIEW实时)的高性能嵌入式控制器，也可以是台式机、工作站、服务器或笔记本电脑控制的远程控制器，本发明使用的是嵌入式控制器，通过PC外设接口连接PC设备进行操作；所述外围模块是为了满足用户测试或嵌入式应用需求，基于这些模块可以构建出各种各样的PXI系统；

所述系统控制器模块和外围模块插入PXI机箱插槽中，外部PC设备通过系统控制器模块的外设接口和PXI系统连接，所述孤立配电网的仿真模型在外部PC设备上的LabVIEW和StarSim仿真平台进行开发。

在上述的一种含光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台，直流配电网数字物理仿真平台中，所述直流配电网的仿真模型计算数据包括太阳能光伏发电系统输出功率和电流电压以及并网点直流母线处的潮流数据。

一种直流配网的数字物理仿真方法，其特征在于：包括：

步骤1，在LabVIEW和StarSim仿真开发平台中分别编写上位机Host程序、下位机RT程序，选用LabVIEW自带的功率计算元件进行计算；

步骤2，设置光伏系统的温度、光照强度、最大功率及其对应的电压值；设置直流母线电压等级；

步骤3，运行RT程序，数字仿真模型与外部物理接口在PXI上进行部署；

步骤4，运行Host程序，发出控制指令；

步骤5，数据流传输到下位机，CPU、FPGA对模型进行仿真计算；

步骤6，计算结果返回上位机，在Host主界面进行显示；或者通过PXI外部模块输出至接线盒，在示波器显示。

本发明具体如下优点：1、大多数的分布式电源和电力用户终端负载都是直流的，因此连接到直流配网可以减少其能量转换次数，从而减少损耗和故障率。2、由于直流无集肤效应，所以直流电源线有更强的带载能力。3、直流配网一般比交流配网拥有更好的抗干扰性，而且其在基础设施上的投资上要比交流配网低很多。4、直流配网不需要考虑分布式电源的同步性。5、分布式电源以及负载功率波动都可由储能系统补偿。6、负载不会受到电压调整、电压闪变、三相不平衡以及谐波等因素的影响。7、电能质量不会受到冲击电流、单相负载、单相发电机等因素的影响。

附图说明

图1是本发明所涉及的直流配网结构图。

图2a是本发明仿真结果示意图(结果一)。

图2b是本发明仿真结果示意图(结果二)。

图2c是本发明仿真结果示意图(结果三)。

图2d是本发明仿真结果示意图(结果四)。

具体实施方式

一、首先介绍一下本发明搭建平台的原理：

含微电源的直流配电网是指是以直流配电的形式，通过一条公共直流母线将所有微电源连接起来的独立可控系统，可对当地提供电能。直流配电网的拓扑结构有三种：环状、放射状以及两端配电形式。由于放射状直流配电网具有逻辑结构清楚，易于实现的优点，因此本模型构建放射状直流配电网。放射式直流配电网系统的拓扑结构如图1所示。

直流配电网主要由微电源、接口装置和负荷三部分组成。为简化平台搭建工作，对新平台进行尝试，微电源暂时仅为为直流发电形式的光伏发电，负责为直流配电网提供电能；接口装置是指微电源接入直流配电网时必需的转换设备，为微电源接入直流配电网在电压电能匹配上提供了保证。光伏发电系统通过Boost变换器与直流母线相连；直流母线通过DC/AC接口并入交流主电网，实现直流配电网的并网运行；直流配电网的负荷类型为直流负荷。

所述模型中光伏发电系统包括光伏阵列，光伏最大功率控制以及光伏阵列与直流配电网的接口电路。光伏电池利用光伏效应将光能转换为电能，是光伏系统中实现光伏特性最基本的单元。光伏电池的开路电压和短路电流受光照强度和电池温度的影响很大，导致系统工作点不确定，从而使系统效率降低。此外，串联电阻对光伏电池的输出也有影响。为此，光伏电池必须实现MPPT，以便其在任何条件下不断获得最大功率输出。扰动观察法具有结构简单，测量参数少，易于实现的优点，因此本模型采用扰动观察法实现光伏阵列的MPPT控制。扰动观察法是扰动光伏电池的端口电压，并根据公式P＝V*I计算扰动前后光伏电池的输出功率，将扰动后的输出功率同扰动前的输出功率进行比较。

Boost电路是指平均直流输出电压高于直流输入电压的变换电路。Boost电路在电路结构上容易实现，控制比较简单，通过改变功率开关管的占空比，就可调节输出电压和输入电压比值。Boost电路和光伏MPPT控制结合，可以很容易实现光伏阵列最大功率的控制。Boost电路两侧的传输功率相同，因此可以将Boost电路右侧的负荷R等效成左侧的。通过扰动观察法不断调整晶闸管的占空比，就可不断改变等效负荷值，进而追踪到光伏系统的最大输出功率对应的电压值。

二、为了使本技术领域的人员更好的理解本发明技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种含光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台，包括太阳能光伏发电系统和负荷。光伏系统温度为25，光照强度为可由500～1500W/m²任意调整，光伏阵列为35(串联)×20(并联)。其最大功率为30000W，最大功率点对应的电压值为637V。

配电网正常运行时，假设光照强度为800W/m²，在1.0s对光伏系统进行最大功率跟踪，单个光伏电池工作在17.5V左右，如图2a所示，如图2b所示；在5.0s处将光照强度升至1000W/m²，当个光伏电池公仔在17.0V左右，如图2c所示，输出功率逐渐上升至35kW，如图2d所示。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种含光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台，其特征在于：包括

LabVIEW和StarSim仿真开发平台：包括一个直流配电网仿真模型和用户界面，该模型包括太阳能光伏发电系统和直流母线；用户界面包括用户发出对模型的控制指令，以及对模型进行潮流计算的结果波形显示；

NI PXI测量与控制平台；所述NI PXI测量与控制平台包括具有定时和同步功能的机箱、系统控制器模块、外围模块；所述外围模块包括配有Virtex-5LX110FPGA的R系列多功能RIO模块、针对于DSP的Xilinx Kintex-7FPGA模块、高压模拟输入模块、10V输入的前置式接线盒和高速模拟输出模块，高压模拟输入模块想FPGA传输用户指令，通过LabVIEW对FPGA模块编程进行计算，计算结果通过模拟输出模块输出模拟波形。

2.根据权利要求1所述的一种含光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台，其特征在于：直流配电网数字物理仿真平台中，具有定时和同步功能的机箱控制器和模块提供了电源、冷却以及PCI和PCI Express通信总线；所述系统控制器模块是具备配软Windows操作系统或实时操作系统(NI LabVIEW实时)的高性能嵌入式控制器、或者是台式机、或者是工作站、或者是服务器、或者是笔记本电脑控制的远程控制器；所述外围模块是为了满足用户测试或嵌入式应用需求，基于这些模块构建出PXI系统；

所述系统控制器模块和外围模块插入PXI机箱插槽中，外部PC设备通过系统控制器模块的外设接口和PXI系统连接，所述直流配电网的仿真模型在外部PC设备上的LabVIEW和StarSim仿真平台进行开发。

3.根据权利要求2所述的一种含光伏发电系统并网的直流配电网数字物理仿真平台，其特征在于：直流配电网数字物理仿真平台中，直流配电网的仿真模型计算数据包括太阳能光伏发电系统输出功率和电流电压、以及并入直流母线处的潮流数据。

4.一种含光伏发电系统并网的直流配网的数字物理仿真方法，其特征在于：包括：

步骤1，在LabVIEW和StarSim仿真开发平台中分别编写上位机Host程序、下位机RT程序，选用LabVIEW自带的功率计算元件进行计算；

步骤2，设置光伏系统的温度、光照强度、最大功率及其对应的电压值；设置直流配电网母线的电压等级；

步骤3，运行RT程序，数字仿真模型与外部物理接口在PXI上进行部署；

步骤4，运行Host程序，发出控制指令；

步骤5，数据流传输到下位机，CPU、FPGA对模型进行仿真计算；

步骤6，计算结果返回上位机，在Host主界面进行显示；或者通过PXI外部模块输出至接线盒，在示波器显示。