CN107403047B - 含风机和光伏发电的直流微电网数字物理仿真平台及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种含风机和光伏发电的直流微电网数字物理仿真平台及仿真方法，该直流微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微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。因此本文建立孤立微电网数字物理仿真平台提高仿真速度，优化仿真效果，用以研究使孤立微电网系统能够稳定运行的仿真平台。
Description
技术领域
本发明涉及一种含风机和光伏发电的直流微电网数字物理仿真平台及方法，属于微电网仿真实验技术领域。
背景技术
随着经济的不断发展，城市化进程的不断加快，不仅我们日常的城市负荷快速增长，而且我们对供电的可靠性和电能质量的要求逐渐提高。现有的配电网基本上是由交流配电网构成的，它具有电压变换迅速、容易以及保护技术成熟等多种优点，在今后的一段时间内也将是配电网的主要形式。但随着不可再生资源的枯竭和科技的逐渐进步，将会有越来越多的分布式电源被应用，并接入配电网。就现阶段来讲，仅用交流配电网已经无法解决现阶段配电网中的一系列问题，更无法迎接未来城市智能电网的挑战。因此我们需要构建直流微网，将其作为交流配电网的补充和支持，灵活应用其快速可控等特点，从而有效地解决我们现有配电网中的一些问题，以保证城市电网的安全、可靠、经济运行。
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微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微电网仿真模型包括永磁式风力发电系统、太阳能光伏发电系统和蓄电池储能系统；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 LX110FPGA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。
在上述的一种含风机和光伏发电的直流微电网数字物理仿真平台，直流微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微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PCI Express通信总线；所述系统控制器模块可以是具备微软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，所述孤立微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。
在上述的一种含风机和光伏发电的直流微电网数字物理仿真平台，直流微电网数字物理仿真平台中，
所述直流微电网的仿真模型计算数据包括永磁式风力发电系统输出功率和电流电压、太阳能光伏发电系统输出功率和电流电压、蓄电池储能系统输出功率和电流电压以及公共联结点出的潮流数据。
一种直流微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；设置储能系统的初始荷电、蓄标称电压及额定容量；设置风机系统的额定机械输出功率、风速及额定直流电压；
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，因此连接到直流微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、直流微网一般比交流微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微网低很多。4、直流微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微网结构图。
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：
直流微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。直流微电网的拓扑结构有三种：环状、放射状以及两端配电形式。由于放射状直流微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微电网。放射式直流微电网系统的拓扑结构如图1所示。
直流微电网主要由微电源、接口装置和负荷三部分组成。其中微电源包括直流发电形式的光伏发电、交流发电形式的风力发电机组以及储能装置，负责为直流微电网提供电能；接口装置是指各微电源接入直流微电网时必需的转换设备，为微电源接入直流微电网在电压电能匹配上提供了保证。其中，光伏发电系统通过Boost变换器与直流母线相连；储能设备经Boost-Buck双向换流器接入直流微电网，实现充放电功能，平衡功率的流动，稳定直流母线电压；AC/DC换流器将风力发电系统发出交流电变换为直流电汇入直流母线；最后直流母线通过DC/AC接口并入交流主电网，实现直流微电网的并网运行；直流微电网的负荷类型包括直流负荷和交流负荷。
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微电网的接口电路。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，(其中)，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。
蓄电池模型可等效为一个受控电压源与一个定值电阻串联。蓄电池的输出电压不仅与电流有关还与蓄电池SOC状态有关，其具有非线性特性。对蓄电池的接口采用双PI环控制，将直流母线电压测量值与给定值比较，得到电压环的控制输入量，通过控制器产生电流控制环的输入参考值。然后经控制器后，经产生触发脉冲。
风力机是风力发电系统中重要的部件之一，它的作用就是截获流动空气所具有的动能，并将其中一部分风能转换机械能，且以转组形式输出到发电机。它决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出。
风力机的机械输出转矩与风速的关系：
Tm＝0.5ρπr3v2Cp(λ，β)/β
ρ为空气密度；r为风力机转子半径；β为桨叶的桨距角；Cp为与桨距角β和叶尖速比λ有关的功率系数；叶尖速比
其中w为风力机转子的转速；
风力发电机组传动系统数学模型如下：
其中，J是机组的等效传动惯量；Bm是传动粘滞系数；Te为电磁转矩；ωg为发电机转子的转速；且ωg＝ω。
本模型采用永磁发电机作为风力发电机，需要具有一定攻角和速度的风力作用在风力机的桨叶上，该风力产生旋转力矩带动风力机的桨叶旋转，风能转化为机械能；永磁同步发电机与风力机同轴相连，故此时永磁同步发电机也被带动起来，发出幅值和频率都随着风速的变化而变化的交流电，机械能转化为电能；永磁同步机发出的交流电经过背靠背双PWM变流器转化成与幅值、频率符合要求的三相交流电，再经升压变压器接入公共联结点。
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，一种含风机和光伏发电的直流微电网数字物理仿真平台，包括永磁式风力发电系统、太阳能光伏发电系统和蓄电池储能系统以及负荷。光伏系统温度为25，光照强度为1000W/m2，其最大功率为11000W，最大功率点对应的电压值为288V。储能系统的初始荷电状态为100％，蓄标称电压为2i0V，额定容量为6.5Ah。风机系统额定机械输出功率为i0000W，风速为10m/s。额定直流电压为1150V。
直流微电网的负荷包括直流负荷和交流负荷。直流负荷由直流电阻和直流电机组成。直流电阻为135，0.1s后变为270。交流负荷通过逆变电路与直流微电网连接，额定电压为220V，额定频率为50Hz。交流负荷功率为20000W，0.1s后增加为30000W。
微电网正常运行时，如图2a所示，当直流负荷和交流负荷发生变化时，直流电压依然能够保持在1150V不变，系统的稳压效果十分显著，直流电压基本不受负荷波动的影响；如图2b所示，储能系统在0.0105s内经历了放电和充电状态，之后其荷电状态一直保持在100％；如图2c所示，光伏系统在0.035s后达到了其最大输出功率11000W，验证了光伏系统最大输出功率追踪的有效性；如图2d所示，直驱永磁风力发电机的转子转速在0.125s后稳定在额定转速150rad/s附近，但在145rad/s到160rad/s之间振荡。
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)
1.一种直流微电网的数字物理仿真方法，其特征在于：
直流微电网由微电源、接口装置和负荷三部分组成；其中微电源包括直流发电形式的光伏发电、交流发电形式的风力发电机组以及储能装置，负责为直流微电网提供电能；接口装置是指各微电源接入直流微电网时必需的转换设备，为微电源接入直流微电网在电压电能匹配上提供了保证；其中，光伏发电系统通过Boost变换器与直流母线相连；储能设备经Boost-Buck双向换流器接入直流微电网，实现充放电功能，平衡功率的流动，稳定直流母线电压；AC/DC换流器将风力发电系统发出交流电变换为直流电汇入直流母线；最后直流母线通过DC/AC接口并入交流主电网，实现直流微电网的并网运行；直流微电网的负荷类型包括直流负荷和交流负荷；
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微电网的接口电路；光伏电池利用光伏效应将光能转换为电能，是光伏发电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，进而追踪到光伏发电系统的最大输出功率对应的电压值；
蓄电池模型可等效为一个受控电压源与一个定值电阻串联；蓄电池的输出电压不仅与电流有关还与蓄电池SOC状态有关，其具有非线性特性；对蓄电池的接口采用双PI环控制，将直流母线电压测量值与给定值比较，得到电压环的控制输入量，通过控制器产生电流控制环的输入参考值；然后经控制器后，经产生触发脉冲；
风力机是风力发电系统中重要的部件之一，它的作用就是截获流动空气所具有的动能，并将其中一部分风能转换机械能，且以转组形式输出到发电机；它决定了整个风力发电系统装置有效功率的输出；
风力机的机械输出转矩与风速的关系：
Tm＝0.5ρπr3V2Cp(λ,β)/β
ρ为空气密度；r为风力机转子半径；β为桨叶的桨距角；Cp为与桨距角β和叶尖速比λ有关的功率系数；叶尖速比
其中ω为风力机转子的转速；
风力发电机组传动系统数学模型如下：
其中，J是机组的等效传动惯量；Bm是传动粘滞系数；Te为电磁转矩；ωg为发电机转子的转速；且ωg＝ω；
采用永磁发电机作为风力发电机，需要具有一定攻角和速度的风力作用在风力机的桨叶上，该风力产生旋转力矩带动风力机的桨叶旋转，风能转化为机械能；永磁同步发电机与风力机同轴相连，故此时永磁同步发电机也被带动起来，发出幅值和频率都随着风速的变化而变化的交流电，机械能转化为电能；永磁同步机发出的交流电经过背靠背双PWM变流器转化成与幅值、频率符合要求的三相交流电，再经升压变压器接入公共联结点；
仿真方法包括：
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，设置光伏发电系统的温度、光照强度、最大功率及其对应的电压值；设置储能系统的初始荷电、蓄标称电压及额定容量；设置风机系统的额定机械输出功率、风速及额定直流电压；
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。
2.一种采用权利要求1所述的直流微电网的数字物理仿真方法的仿真平台，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微电网的仿真模型包括永磁式风力发电系统、太阳能光伏发电系统和蓄电池储能系统；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NIPXI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。
3.根据权利要求2所述的仿真平台，其特征在于：直流微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微电网的仿真模型，具有定时和同步功能的机箱提供了电源、冷却以及PCI和PCI Express通信总线；所述系统控制器模块可以是具备微软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，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，仿真模型在外部PC设备上的LabVIEW和StarSim仿真平台进行开发。
4.根据权利要求2所述的仿真平台，其特征在于：直流微电网数字物理仿真平台中，
所述直流微电网的仿真模型计算数据包括永磁式风力发电系统输出功率和电流电压、太阳能光伏发电系统输出功率和电流电压、蓄电池储能系统输出功率和电流电压以及公共联结点出的潮流数据。
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- 2017-07-28 CN CN201710631251.3A patent/CN107403047B/zh active Active
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| CN107403047A (zh) | 2017-11-28 |
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| CB02 | Change of applicant information |
Address after: The eight district of Hangzhou city in Zhejiang province 310014 Huadian Zhaohui under No. 1 Lane Applicant after: STATE GRID ZHEJIANG ELECTRIC POWER COMPANY LIMITED ELECTRIC POWER Research Institute Address before: The eight district of Hangzhou city in Zhejiang province 310014 Huadian Zhaohui under No. 1 Lane Applicant before: ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE OF STATE GRID ZHEJIANG ELECTRIC POWER Co. |
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20210622 Address after: 311100 Building 5, 138 Yunlian Road, Yuhang District, Hangzhou City, Zhejiang Province Applicant after: Marketing service center of State Grid Zhejiang Electric Power Co.,Ltd. Address before: The eight district of Hangzhou city in Zhejiang province 310014 Huadian Zhaohui under No. 1 Lane Applicant before: STATE GRID ZHEJIANG ELECTRIC POWER COMPANY LIMITED ELECTRIC POWER Research Institute |
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| TA01 | Transfer of patent application right | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |