CN107544283A - 一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，该系统包括上位机、仿真目标机、I/0扩展机箱和外界实物设备，所述上位机实现虚拟同步发电机控制策略的数字仿真，所述仿真目标机实现虚拟同步机控制策略的实时仿真，上位机与仿真目标机通过Cable网线相连，所述I/0扩展机箱连接仿真目标机以及所述外界实物设备，通过PCI‑E互联。基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，能完整的实现基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真测试，为虚拟同步发电机控制策略的研究以及工程试验提供仿真测试方案，从而使得基于虚拟同步发电机控制策略的试验测试更加接近实际应用。
Description
技术领域
本发明属于新能源电力系统与微电网技术领域，具体涉及一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统。
背景技术
随着社会与经济的发展，人们对电网的要求越来越高，为解决传统电网供电集中、对环境污染大等弊端，越来越多的研究人员将研究重点着眼在分布式发电(distributedgeneration,DG)技术。随着分布式发电在不断增长的同时，也出现了很多问题，其大规模的接入电网，在一定程度上威胁了电力系统的安全性和稳定性，表现如下：①分布式电源接入电力系统，电网中的调度人员不易控制，这是由分布式电源本身的特点所决定的。分布式电源具有随机性和波动性，而且容量通常很小，当其在电力系统中渗透率较高时，如何实现电网的安全稳定运行，又同时保障用户用电的可靠性和较高的供电质量，这是分布式发电面临的重要问题。②分布式电源的接入，配电网从一个无源系统变为有源系统，配电网变得更复杂，其安全性、稳定性势必受到影响，所以配电网对大量分布式电源接入的适应情况需要深入研究。③并网逆变器作为分布式电源接入电网的接口，本身不具备同步发电机所固有的惯量，对于电力系统的整体惯性没有贡献，而且其动态响应速度非常快，在发生故障时会严重影响系统频率的稳定性。④分布式电源的输出阻抗不呈感性，因此其抗电流冲击的能力大大降低，为了应对分布式电源对于电力系统安全稳定带来的冲击及影响，我们提出了适应于微电网的控制策略，即“虚拟同步发电机(virtual synchronous generator,VSG)”控制策略，通过模拟同步发电机的机械方程和电磁方程，使得逆变器在机理上与外特性上具有同步发电机的特性。
当前，逆变器的用处越来越广泛，尤其是在一些需要可靠性高、不间断供电需求的领域，比如军事、医疗、海运和通信等等。随着经济的不断增长，用电设备需求的不断加大，对于电力系统的容量要求稳步提升。随着人类环境的不断恶化和新兴发电方式的不断出现，未来发电的重心必然会落在绿色发电上。
与此同时，数字化、集成化已成为现代电力电子技术发展的趋势，兼有高运算速度和强控制能力的DSP在逆变器、电机等电力电子设备的控制领域得到了广泛应用。DSP虽然为控制系统提供良好的硬件平台，但对于传统的设计，设计者不仅要开发控制算法，而且要花大量时间去掌握DSP内部的各种寄存器的正确设置及软件编译方法，当控制算法需要修改时，又需要重新编写代码，开发过程难度大，费时费力，且不能保证控制算法的准确性和有效性。因此，本发明提供一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，采用工业级仿真工具对虚拟同步发电机进行仿真模拟，利用Spacer仿真机，可对复杂模型进行实时仿真，验证所开发算法的可行性和准确性，大大加快了对虚拟同步发电机控制技术的研究以及降低科研成本，并且对虚拟同步机逆变器的设计和改进提供大量的技术参考数据等。
发明内容
为实现上述目的，本发明提供一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统采用如下技术方案；
本发明提供一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，其特征在于，包括：上位机、仿真目标机、输入输出I/0扩展机箱、外界实物设备；
所述上位机用于实现基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器的实时仿真；
所述仿真目标机与上位机和I/0扩展机箱相连，用于接收上位机的仿真模型，同时将接收的信息发送给I/0扩展机箱；
所述I/O扩展机箱用于实现仿真目标机与外界实物设备交互的桥梁；
本发明通过所述的上位机实现基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器的实时仿真包括以下几个步骤：(1)首先进行模型编辑，即在Matlab/Simulink环境下进行虚拟同步发电机仿真模型的搭建；(2)将搭建好的模型通过模型分割、将模型转为C代码、上传代码到解算节点、在解算节点上编译代码和链接等步骤后生成可执行文件；(3)生成可执行程序之后，载入模型，可执行文件载入仿真目标机等待执行；(4)执行模型，仿真目标机进行实时仿真。
与此同时，上位机还用于发送模型参数修改指令和控制指令至所述的仿真目标机；
另外，所述可执行文件的生成，是基于RTW(Real Time Workshop)实时代码生成工具，实现从模型到C代码的自动生成，包括以下几个步骤：首先由RTW对仿真模型进行分析生成Model.rtw文件，之后由目标语言编译器(Target Language Compiler)对生成的Model.rtw进行编译生成Model.c、Model.h等文件，其次通过目标语言编译器生成模板联编文件(Template Makefile)对目标代码进行编译和链接，最后生成可执行文件。
所述一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，其特征在于，所述仿真目标机与上位机和I/O扩展机箱相连，用于接收上位机的仿真模型和可执行文件，并根据所述上位机指令适时修改仿真模型的参数，以及将所述控制指令发送至所述I/O扩展机箱。
另外，所述目标仿真机以及所述I/O扩展机箱通过同步线互联实现仿真数据交互同步。
另外，所述目标仿真机采用多核处理器和FPGA板卡，在微秒级的仿真步长下运行模型的可执行文件。
所述一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，其特征在于，所述I/0扩展机箱包括：模拟量输入及调理模块(Ain板卡)，模拟量输出及调理模块(Aout板卡)，数字输入及调理模块(Din板卡)，数字输出及调理模块(Dout板卡)以及PWM输入/输出模块；
另外，所述I/0扩展机箱与所述外界实物设备通过PCI-E进行信号的输送和接收，由所述I/0扩展箱机中的PWM输出模块输出脉冲控制信号，由所述外界实物设备进行接收；所述外界实物设备逆变侧的三相滤波电容电压，三相滤波电感电流以及三相负载电流经所述I/0扩展机箱中的模拟量输入接口接收信号。
所述一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，其特征在于，所述外界实物设备包括：光伏电源模拟器，驱动电路，逆变器，LC滤波电路以及阻性负载和感性负载；所述光伏电源模拟器用于输出直流电压，与逆变器的正负极相连，为逆变器提供电压；所述驱动电路的驱动板一端连接PWM输出端口，用于接收6路脉冲信号，对脉冲信号进行功率放大，另一端与逆变器中的6个IGBT，驱动IGBT的开通与关断；所述逆变器的输出端与LC滤波电路相连，对逆变器输出的电压电流进行滤波；所述阻性负载和感性负载与LC滤波电路相连。
所述一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，其特征在于，所述上位机载入可执行程序至所述的仿真目标机，所述仿真目标机与所述I/O扩展机箱通过同步线互联实现仿真数据交互同步，之后由所述I/0扩展机箱的PWM输出端口输出控制信号给外界实物设备，同时由所述I/0扩展机箱的ADC输入端口接收外界实物设备的电压电流，实现电压电流双闭环控制。与此同时，通过示波器观测检测所述实物设备负载的电压电流、有功无功以及电压频率验证虚拟同步发电机控制策略的准确性和正确性。
本发明基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统的特点是：基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，能完整的实现基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真测试，为虚拟同步发电机控制策略的研究以及工程试验提供仿真测试方案，从而使得基于虚拟同步发电机控制策略的试验测试更加接近实际应用。本发明可以实现实时仿真，即仿真模型的时间标尺和自然时间标尺相同；能够更加快捷有效的测试控制策略的可行性和准确性；所述半实物仿真的实验结果比数字仿真更接近实际情况。
附图说明
图1为虚拟同步发电机整体控制方框图。
图2为本发明基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统统结构图。
图3为基于RTW代码自动生成的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例和附图，对本发明的技术方案进行更加详细描述。附图中，相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他技术方案都属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统。如图2所示，该系统包含：上位机、仿真目标机、输入输出I/0扩展机箱、外界实物设备。所述上位机与仿真目标机通过Cable网线相连，仿真目标机与输入输出I/0扩展机箱以及I/0扩展机箱和外界事物设备通过PCI-E互联。
由于半实物仿真系统(hardware-in-loop simulation system)是将控制器(实物)与在计算机上实现的控制对象的仿真模型(即数字仿真)连接在一起进行试验的技术。在这种实验中，控制器的动态特性、静态特性和非线性因素等都能真实地反映出来，因此它是一种更接近实际的仿真试验技术。所述的上位机实现基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器的实时仿真包括以下几个步骤：(1)首先进行模型编辑，即在Matlab/Simulink环境下进行虚拟同步发电机仿真模型的搭建；(2)将搭建好的模型通过模型分割、将模型转为C代码、上传代码到解算节点、在解算节点上编译代码和链接等步骤后生成可执行程序；(3)生成可执行文件之后，载入模型，可执行文件载入仿真目标机等待执行；(4)执行模型，仿真目标机进行实时仿真。
结合图1虚拟同步机整体控制方框图，阐述在Maltab/Simulink环境下进行模型编译，系统分别采集逆变电源输出的有功、无功功率，并根据其相应的参考值，分别经过有功频率调节和无功电压调节，然后根据同步发电机的二阶模型得到逆变器出口电压的参考值，经过电容电压外环、电感电流内环控制后，得到驱动PWM发生器产生的6路脉冲来控制IGBT的通断。同步发电机的二阶模型即将同步发电机的定子电压方程和转子运动方程引入到逆变器的控制中，转动惯量和阻尼系数的引入可以很好改善微电网频率的稳定性。其中定子电压方程和转子运动方程如下：
式中，为励磁电动势，为电枢电压，为电枢电流，Ra为电枢电阻，Xs为电枢电抗，J为转动惯量，D为阻尼系数，ω为实际电角速度，ωN为同步电角速度。
图3为基于RTW代码自动生成流程图，即当虚拟同步发电机控制策略在上位机Matlab/Simulink中搭建完成之后，使用RTW工具箱，执行创建过程的初始化阶段需对已组建好的模型进行分析，RTW读取Matlab模型文件model.mdl，生成model.rtw文件。model.rtw中包含模型和子系统的结构及连接关系。在通过目标语言编译器Target LanguageCompiler(TLC)解析model.rtw，并根据TLC文件中的指令生成代码。包括model.c、model.h、model.types.h、model_private.h、ert_main.c等文件。通过模板联编文件(TemplateMakefile)进行目标代码的编译、链接、生成针对仿真目标机可执行的目标程序。将目标程序下载到仿真目标机中进行实时仿真。
当上位机完成目标程序生成、编译以及载入在仿真目标机之后，如图2所示，所述仿真目标机采用多核处理器和FPGA板卡，在微秒级的仿真步长下运行模型的可执行文件，通过PCI-E与I/0扩展机箱相连进行控制指令发送与接收。仿真目标机通过I/0扩展机箱中的PWM输出板卡将经过正弦脉宽调制后生成的6路脉冲信号进行输出，输出的脉冲信号经过外界设备中的驱动板进行信号的放大后，给到由6个IGBT组成的逆变桥，再逆变桥的正负极输入150V的直流电压，外界设备的负载侧产生三相电压和三相电流，将产生的电压电流通过模拟输入板卡进行信号的采集，再通过PCI-E送回到仿真目标机中，即实现基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (7)
1.一种基于虚拟同步发电机控制策略的半实物仿真系统，其特征在于，包括：上位机、仿真目标机、I/0扩展机箱、外界实物设备；
所述上位机用于实现基于虚拟同步发电机控制策略的逆变器的实时仿真；
所述仿真目标机与上位机和I/0扩展机箱相连，用于接收上位机的仿真模型，同时将接收的信息发送给I/0扩展机箱；
所述I/O扩展机箱用于实现仿真目标机与所述外界实物设备交互的桥梁。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的上位机实现实时仿真包括以下几个步骤：
(1)首先进行模型编辑，即在Matlab/Simulink环境下进行虚拟同步发电机仿真模型的搭建；
(2)将步骤(1)搭建好的模型进行模型分割、将模型转为C代码、上传代码到解算节点、在解算节点上编译代码和链接后生成可执行文件；
(3)将步骤(2)生成的可执行程序载入模型，可执行文件载入仿真目标机等待执行；
(4)执行模型，由仿真目标机进行实时仿真；
与此同时，所述上位机还用于发送模型参数修改指令和控制指令至所述仿真目标机。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，步骤(2)中所述可执行文件的生成，是基于RTW实时代码生成工具，实现从模型到C代码的自动生成，包括以下几个步骤：
首先由RTW对仿真模型进行分析生成Model.rtw文件；
之后由目标语言编译器对生成的Model.rtw进行编译生成Model.c或Model.h文件；
其次通过目标语言编译器生成模板联编文件，对目标代码进行编译和链接，最后生成可执行文件。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述仿真目标机与上位机和I/O扩展机箱相连，用于接收上位机的仿真模型和可执行文件，并根据所述上位机指令适时修改仿真模型的参数，以及将所述控制指令发送至所述I/O扩展机箱；所述目标仿真机以及所述I/O扩展机箱通过同步线互联实现仿真数据交互同步；所述仿真目标机采用多核处理器和FPGA板卡，在微秒级的仿真步长下运行模型的可执行文件。
5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述I/0扩展机箱包括：模拟量输入及调理模块，模拟量输出及调理模块，数字输入及调理模块，数字输出及调理模块以及PWM输入/输出模块；
所述I/0扩展机箱与所述外界实物设备通过PCI-E进行信号的输送和接收，由所述I/0扩展机箱中的PWM输出模块输出脉冲控制信号，由所述外界实物设备进行接收；所述外界实物设备逆变侧的三相滤波电容电压，三相滤波电感电流以及三相负载电流经所述I/0扩展机箱中的模拟量输入接口接收信号。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外界实物设备包括：光伏电源模拟器，驱动电路，逆变器，LC滤波电路以及阻性负载和感性负载；所述光伏电源模拟器用于输出直流电压，与逆变器的正负极相连，为逆变器提供电压；所述驱动电路的驱动板一端连接PWM输出端口，用于接收6路脉冲信号，对脉冲信号进行功率放大，另一端与逆变器中的6个IGBT，驱动IGBT的开通与关断；所述逆变器的输出端与LC滤波电路相连，对逆变器输出的电压电流进行滤波；所述阻性负载和感性负载与LC滤波电路相连。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机载入可执行程序至所述的仿真目标机，所述仿真目标机与所述I/O扩展机箱通过同步线互联实现仿真数据交互同步，之后由所述I/0扩展机箱的PWM输出端口输出控制信号给外界实物设备，同时由所述I/0扩展机箱的ADC输入端口接收外界实物设备的电压电流，实现电压电流双闭环控制；与此同时，通过示波器观测检测所述实物设备负载的电压电流、有功无功以及电压频率验证虚拟同步发电机控制策略的准确性和正确性。
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