CN107463741A - 一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台及仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台，该孤立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孤立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。因此本发明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

一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台及仿真方法

技术领域

本发明涉及一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台及仿真方法，属于微电网仿真实验技术领域。

背景技术

在传统模式的电网中，由于地理、环境、发展规划等各方面因素的限制，我们采用的是集中发电和远距离输电的电网建设模式。然而，一方面，随着用户用电需求的迅速增加，远距离输电的负荷越来越大，负担越来越重，对电网的稳定性和安全性造成了一定的影响；另一方面，常规化石能源正不断枯竭，在全球能源危机日渐严峻的形势下，开发使用新型可再生清洁能源发电技术迫在眉睫。

美国是最早提出微电网概念的国家，随后欧洲各国的也开始投入到微电网的研究中，并展开许多合作。日本疆域较小，资源匮乏，在微电网试验工程研究建设方面取得了很大的成果。我国微电网研究起步较晚，但由于国家对于“环境友好型”、“资源节约型”社会的大力建设，含有基于新能源的分布式发电的微电网也得到了极大的重视。

在孤岛、边防等特殊场合，供电环境没有提供大电网的能力，此时只能依靠孤立微网来给重要负荷进行供电，而分布式发电技术也就展现出了它自身所具有的莫大的优势：在自然条件允许的情况下，发电可以不受地理因素的限制，即取即用，大大满足了偏远孤僻地区对于电力的需求。同时，这也对孤立微网的稳定运行提出了比较高的要求，体现了孤立微网稳定运行的重要性。但是目前并没有基于LabVIEW应用程序软件和PXI硬件设备混合的数字物理仿真平台，因此本发明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，以研究使孤立微电网系统能够稳定运行的仿真平台。

发明内容

本发明采用如下技术方案：

一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台，其特征在于，包括：包括

LabVIEW和StarSim仿真开发平台:用于搭建孤立微电网仿真模型，并在StarSim中搭建模型的主电路，将生成的StarSim文件载入LabVIEW中，通过StarSim Express vi将StarSim数据输入输出接口和LabVIEW程序进行传输；在LabVIEW中编写控制、计算程序，并设计用户显示界面；

NI PXI测量与控制平台：用于数据采集，和上位机连接的实现远程控制和数据传输；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。

在上述的一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台，孤立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孤立微电网的软件仿真模型，包括控制模块和显示模块，用户通过控制模块发出对模型的控制指令，显示模块将对模型进行潮流计算的结果波形显示；孤立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、柴油机发电系统和蓄电池储能系统，各分布式电源之间为主从控制，以柴油发电系统为主控电源，其他为从控电源，可以实现从控电源的即插即用。

在上述的一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台，孤立微电网数字物理仿真平台中，

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。可通过LabVIEW软件对这两个FPGA模块进行编程；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。

所述具有定时和同步功能的机箱背板提供有PCI和PCI Express通信总线；所述系统控制器模块采用具备微软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或台式机、或工作站、或服务器或笔记本电脑控制的远程控制器。

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，并通过机箱背板的通信总线进行数据传输和远程控制；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。

一种含孤立微电网的数字物理仿真方法，其特征在于：包括：

步骤1，在LabVIEW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，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3，用户通过Host界面运行模型程序并对模型发出控制指令运行；LabVIEW模型程序在所述PXI系统控制器上运行，程序代码被编译并转化为机器级代码；

步骤4，数据流传输到下位机，PXI系统控制器的内存和处理器将机器级代码转化为电信号，沿着PCI Express通信总线传输；控制指令和上述模型程序代码转化成的电信号通过PCI Express通信总线传输到插有外围模块的PXI插槽；CPU、FPGA对模型进行仿真计算；

步骤5，计算结果再通过PCI Express通信总线返回上位机，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。

因此本发明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。

附图说明

图1是孤立微电网结构图。

图2a是打开柴油机示意图(功率)。

图2b是打开柴油机示意图(频率波形)。

图3a是运行风力发电机时各电源的输出功率示意图(功率)。

图3b是运行风力发电机时各电源的输出功率示意图(频率波形)。

图4是光伏阵列最大功率跟踪示意图。

图5a是运行光伏电源时各电源的输出功率示意图(功率)。

图5b是运行光伏电源时各电源的输出功率示意图(频率波形)。

图6是增加动态负荷时各电源的输出功率示意图。

图7a是运行储能蓄电池时各电源的输出功率示意图(功率)。

图7b是运行储能蓄电池时各电源的输出功率示意图(频率波形)。

图8a是10kV母线电压波形示意图。

图8b是10kV母线电流波形示意图。

图9是NI-PXI平台的数字物理混合实时仿真流程图。

具体实施方式

一、首先介绍一下本发明搭建平台的原理：

LabVIEW和StarSim仿真平台开发的孤立微电网仿真模型中，永磁式风力发电系统工作时，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；

风力机模型的建立较为复杂，根据贝兹理论可知，风力机可以从风能中获得的功率P_wind可以表示为：

其中，ρ为空气密度，单位为kg/m³；R为风轮半径，单位为m；v为风速，单位为m/s；C_p为风能利用系数；T_wind为风力机的输出转矩，单位为N·m；ω_wind为风轮的角速度，单位为rad/s。

风能利用系数C_p是反映风力机捕获并利用风能的效率的系数，它的值是关于桨距角θ和叶尖速比λ的函数，可以表示为：

其中，系数c₁＝0.5，c₂＝116，c₃＝0.4，c₄≈0，c₅＝5，c₆＝21；γ为中间变量；叶尖速比λ的表达式为：

所述LabVIEW和StarSim仿真平台开发的孤立微电网仿真模型中，太阳能光伏发电系统采用的是两级式光伏发电系统，两级式光伏发电系统由光伏阵列出发，经由DC/DC变换器进行最大功率跟踪和升压，再由DC/AC逆变器转化成与幅值、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；

搭建光伏电源仿真模型的目标在于，只输入实际光伏电源的主要技术参数，如：最大功率点电流Im，短路电流Isc，最大功率点电压Um，开路电压Uoc，温度T和光照强度S，就能得到仿真模型的相应参数，从而得到描述光伏阵列的数学模型。光伏电池的输出电流I表达式为：

其中，

根据式(7)、(8)计算得出C₁、C₂的值，再将其带入式(6)中，即可得到光伏电池的输出电流，对于阵列来说，则要乘以并联电池的数目。

所述LabVIEW和StarSim仿真平台开发的孤立微电网仿真模型中，蓄电池储能系统由钒电池出发，通过双向DC/DC Buck-Boost变换器进行功率协调控制，再由DC/AC逆变器转化成与幅值、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；柴油发电系统中柴油机由同步发电机代替。

LabVIEW和NI PXI平台的优点包括：通过软硬件无缝集成的平台可以降低成本；通过设计、原型、部署的开发步骤可以缩短开发时间；通过控制/监测的集成可以实现更高的性能；LabVIEW的图形化开发环境中包含了多种高级的算法，方便在实时信号采集的过程中对信号进行高级的处理与分析，从而可以使仿真平台实现一些更加复杂的功能。

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，一种含风光储柴的孤立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、柴油机发电系统和蓄电池储能系统以及负荷(两个三相负荷节点以及两个动态负荷节点)。

微电网正常运行时，主控电源柴油发电机处于工作状态，发出的有功功率。其功率及频率波形如图2a、2b所示

运行风力发电机，风机发出有功功率为维持系统功率平衡，柴油机的输出有功减少其功率及频率波形如图3a、图3b所示。

运行太阳能光伏电源，光伏电池的输出功率且能实现最大功率跟踪，如图4所示。柴油机的输出功率跟随小幅减少，风机有功功率输出不变。其功率及频率波形如图5a、图5b所示。

调节动态负荷滑动杆，其他电源输出功率不变。为维持系统功率平衡，柴油机输出有功增加约其功率波形如图6所示。

在风光柴均投入运行的时候，运行蓄电池，其功率及频率波形如图7a、图7b所示。

仿真过程中，微电网10kV母线上的频率在电源投切过程中没有大幅波动，维持在50Hz左右；三相线电压、电流稳定，如图8a、图8b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)

1.一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台，其特征在于，包括：包括

LabVIEW和StarSim仿真开发平台:用于搭建孤立微电网仿真模型，并在StarSim中搭建模型的主电路，将生成的StarSim文件载入LabVIEW中，通过StarSim Express vi将StarSim数据输入输出接口和LabVIEW程序进行传输；在LabVIEW中编写控制、计算程序，并设计用户显示界面；

NI PXI测量与控制平台：用于数据采集，和上位机连接的实现远程控制和数据传输；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。

2.根据权利要求1所述的一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台，其特征在于，孤立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孤立微电网的软件仿真模型，包括控制模块和显示模块，用户通过控制模块发出对模型的控制指令，显示模块将对模型进行潮流计算的结果波形显示；孤立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、柴油机发电系统和蓄电池储能系统，各分布式电源之间为主从控制，以柴油发电系统为主控电源，其他为从控电源，可以实现从控电源的即插即用。

3.根据权利要求2所述的一种含风光储柴的孤立微电网数字物理仿真平台，其特征在于，孤立微电网数字物理仿真平台中，

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；可通过LabVIEW软件对这两个FPGA模块进行编程；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；

所述具有定时和同步功能的机箱背板提供有PCI和PCI Express通信总线；所述系统控制器模块采用具备微软Windows操作系统或实时操作系统(NILabVIEW实时)的高性能嵌入式控制器或台式机、或工作站、或服务器或笔记本电脑控制的远程控制器；

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，并通过机箱背板的通信总线进行数据传输和远程控制；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。

4.一种含孤立微电网的数字物理仿真方法，其特征在于：包括：

步骤1，在LabVIEW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，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3，用户通过Host界面运行模型程序并对模型发出控制指令运行；LabVIEW模型程序在所述PXI系统控制器上运行，程序代码被编译并转化为机器级代码；

步骤4，数据流传输到下位机，PXI系统控制器的内存和处理器将机器级代码转化为电信号，沿着PCI Express通信总线传输；控制指令和上述模型程序代码转化成的电信号通过PCI Express通信总线传输到插有外围模块的PXI插槽；CPU、FPGA对模型进行仿真计算；

步骤5，计算结果再通过PCI Express通信总线返回上位机，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。