CN108134407A - 基于虚拟同步机的光伏并网发电系统在环实时仿真平台 - Google Patents
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Abstract
一种基于虚拟同步机的光伏并网发电系统在环实时仿真平台，包括上位机、PXI实时仿真系统和外测控制器三部分，所述的上位机通过以太网分别与所述的PXI实时仿真系统和外测控制器进行连接，所述的PXI实时仿真系统与所述的外测控制器之间采用I/O接口连接。本发明能够在实验室环境下快速开发并验证控制策略，并能够模拟出光伏阵列的运行特性，使得控制器在进行实际工况测试之前就能够实现全面的闭环验证；大大节约了测试成本，缩短了开发周期，提高了运行安全性，为虚拟同步机控制技术研发和光伏并网系统的优化控制提供了基础研究平台。
Description
技术领域
本发明涉及再生能源并网发电，特别涉及一种基于虚拟同步机的光伏并网发电系统在环实时仿真平台。
背景技术
随着石油、煤炭等化石燃料的日益枯竭和环境污染日益加重，能源危机和能源污染成为人类社会面临的主要问题。光伏、风力发电等可再生能源的发展成为解决该问题的有效手段。其中，光伏发电以其独有的特性成为可再生能源发电的主要形式。然而，不同于传统的同步发电机，光伏发电是通过逆变器将光伏阵列产生的直流电转换为交流电送入电网，不含旋转元件，也就不具备常规发电机组的转动惯量，此外，光伏发电功率与光照强度和温度紧密相关。因此，光伏发电具有大幅波动性和间歇性等特点，这对系统的有功平衡造成冲击，进而影响到系统的一次调频，造成系统等效转动惯量降低，恶化了系统应对功率缺额和功率波动的能力；其次，光伏发电大规模集中接入的地理位置多在偏远地区，当地的发电量和负荷量不成比例，需要通过高压输电网远距离传送，随机波动的有功出力穿越近区电网和远距离输电线路，会影响电网无功平衡特性，进而造成母线电压的波动；此外，光伏发电单元为静止元件，不参与功角振荡，也不存在功角稳定问题，但由于其波动性和无转动惯量的特性，大规模光伏发电接入电网后造成了原有潮流分布、通道传输功率的改变，改变了电网原有的功角稳定性质，降低了系统的等效转动惯量，改变了系统的稳态、暂态特性，进而影响了系统的规划与运行。
虚拟同步机技术的核心思想是将传统的同步发电机特性引入到电力电子装置，通过逆变器结合储能，并采用适当的并网逆变器控制算法，使基于并网逆变器的分布式电源从外特性上模拟出同步发电机的频率和电压控制特性，从而改善系统的稳定性。基于虚拟同步机的新能源发电系统可具备惯性和主动参与一次调频、调压的能力，能够有效抑制并网点的频率振荡，增强并网电压强度。若能将虚拟同步机技术应用于光伏并网发电系统(以下简称为PXI)，使其实现最大功率跟踪控制的同时，具备同步发电机特性，将能够大大减少光伏并网对系统稳定性的影响。
但是，对于新型控制算法的设计和应用，往往要经过漫长的研发周期和极高的测试成本，以提升控制器的可靠性，因此需要搭建一个能够模拟真实光伏发电特性和实际运行工况的实时仿真系统来验证控制器和相应的控制算法。
硬件在环实时仿真技术是将全部或部分被控对象用高速运行的实时仿真模型来代替，而控制系统则采用真实的控制器。仿真模型通过I/O接口与被测的真实控制器相连接，对被测的控制器进行全方面的、系统的测试，对控制系统的控制策略、控制功能及系统可靠性等进行测试和评估，使得控制器在进行真实机组测试之前就能够进行全面的闭环测试。
目前，针对基于虚拟同步机的光伏并网发电系统在硬件在环实时仿真方面的研究还相对较少，现有的研究主要集中在光伏逆变器的实时仿真与控制。且在光伏发电系统的实时仿真方面，目前方法主要基于RT-LAB平台、RTDS平台，尚未在NI-PXI平台上完成整体光伏并网系统的搭建与运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台。该在环实时仿真平台能够在实验室环境下快速开发并验证控制策略，并能够模拟出光伏阵列的运行特性，使得控制器在进行实际工况测试之前就能够实现全面的闭环验证；大大节约了测试成本，缩短了开发周期，提高了运行安全性，为虚拟同步机控制技术研发和光伏并网系统的优化控制提供了基础研究平台。
本发明的技术解决方案如下：
一种基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台，包括上位机、PXI实时仿真系统和外测控制器，上位机通过以太网分别与PXI实时仿真系统和外测控制器进行连接，PXI实时仿真系统与外测控制器之间采用I/O接口连接。
所述上位机主要指PC机，安装有Labview FPGA编程软件、StarSim仿真软件和FPGAExpress逻辑综合与优化软件，其中Labview FPGA编程软件主要用于算法设计、参数设置和变量/状态监测；StarSim仿真软件用于构建一次系统仿真模型；FPGA Express逻辑综合与优化软件用于提取一次系统的输入/输出变量，为提取的变量分配并使能I/O接口。
所述的一次系统仿真模型是PXI仿真系统的仿真模型，分为大步长仿真模型和小步长仿真模型，所述的大步长仿真模型包括光伏阵列、储能装置、滤波电路及交流电网模型；所述的小步长仿真模型主要为电力电子变流器模型，包括DC/DC变流器模型和DC/AC变流器模型，所述的大步长仿真模型运行于CPU上，小步长仿真模型运行于FPGA上。
所述的PXI实时仿真系统包括硬件部分和软件部分，所述的硬件部分包括CPU和FPGA，采用CPU+FPGA架构，软件部分主要为NI-RT实时操作系统，
所述NI-RT实时操作系统为嵌入式操作系统，当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间内快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。
所述的大步长仿真模型和小步长仿真模型采用同一时钟源，确保两个仿真部分的时间上的同步。
所述的大步长仿真的步长为小步长仿真步长的整数倍，便于两个并行仿真部分交换数据。
所述的外测控制器选用高性能FPGA板卡，用于对电力电子变流器进行控制。通过将所述Labview FPGA编程软件设计的控制算法下载到所述外测控制器上，控制器通过I/O接口与光伏并网仿真系统进行数据交换，从而实现整个系统的硬件在环实时仿真。
所述外测控制器通过对DC/DC变流器和DC/AC变流器进行控制，使光伏并网系统在不影响最大功率跟踪功能的前提下具备类似于同步发电机的惯性/阻尼，频率-有功、电压-无功的下垂等外特性。
本发明的优点和积极效果在于：
1)本发明基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台能够在实验室环境下快速开发、验证和改进控制算法，大大缩短了研发周期；
2)能够模拟真实的光伏阵列的发电特性，使所述的控制器在进行真实机组测试之前就能够进行全面的闭环测试；
3)硬件平台开放，可灵活配置在环测试的硬件设备；
4)节约测试成本，提高了运行的安全性；
5)方便对虚拟同步机的控制策略进行优化，从而增强光伏并网点电压强度，提升电网接纳光伏发电系统的能力，为虚拟同步机结合光伏发电等可再生能源发电并网技术的研究提供了基础平台。
附图说明
图1是本发明基于虚拟同步机的光伏并网发电系统在环实时仿真平台的组成示意图。
图2是基于虚拟同步机的光伏并网发电系统的结构图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细叙述。
如图1所示，本发明基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台由上位机、PXI实时仿真系统和外测控制器组成，上位机通过以太网分别与所述的PXI实时仿真系统和外测控制器进行连接，所述的PXI实时仿真系统与所述的外测控制器之间采用I/O接口连接。下面分别对各个部分进行具体说明如下：
1.上位机
所述的上位机主要指PC，安装现有的Labview FPGA编程软件、StarSim仿真软件和FPGA Express逻辑综合与优化软件：
所述的Labview FPGA编程软件主要用于图形化编程，完成对控制器算法的设计，同时可以实时监测光伏发电系统运行数据，包括：最大功率输出、直流母线电压、并网电流、系统频率、电网电压等，也可对光照强度、温度等进行实时修改。
StarSim仿真软件用于构建一次系统仿真模型，如图2所示。StarSim的模型库含有丰富的电气设备和电力电子元件模型，总体可分为大步长仿真模型和小步长仿真模型，大步长仿真模型主要指对仿真精度要求不高的部分，针对本发明包括光伏阵列、储能元件、滤波电路及交流电网模型，一般只需要几十微秒大步长即可准确仿真；小步长模型特指对仿真精度要求较高的含有开关器件的电力电子装置，包括DC/DC变流器和DC/AC变流器，一般需要几微秒级的仿真步长才能准确仿真。
所述的FPGA Express逻辑综合与优化软件用于提取一次系统中的电气量(输出量)和门极控制信号(输入量)，将提取的电气量分配给外测控制器的模拟量I/O接口并使能，作为外测控制器的输入信号通路；将提取的门极控制信号分配给外测控制器的数字量I/O接口并使能，作为外测控制器的输出信号，即PWM脉冲波通路。
2.PXI实时仿真系统
所述的PXI实时仿真系统是该仿真平台的核心部分，采用CPU+FPGA的硬件架构，内部嵌入有CPU和FPGA板卡，用于运行不同速率等级的循环。基于CPU的大步长实时仿真技术已较为成熟，因此，CPU用于运行一次系统中光伏阵列、储能元件、滤波电路和交流电网的仿真程序；对于小步长仿真目前工业界一般采用FPGA的硬件并行实现，但由于FPGA的资源有限，且编程复杂，因此，只用于运行一次系统中DC/DC变流器、DC/AC变流器等含电力电子开关器件的小步长模型的仿真程序。对于大步长仿真模型和小步长仿真模型采用同一时钟源，确保了两个仿真部分的时间上的同步，并且大步长仿真的步长为小步长仿真步长的整数倍，便于两个并行仿真部分数据传递和信息交互。PXI实时仿真系统的软件部分为NI-RT实时操作系统，即嵌入式的实时操作系统，当外界事件或数据产生时，能够接受并以足够快的速度予以处理，其处理的结果又能在规定的时间之内快速响应，并控制所有实时任务协调一致运行的操作系统。简而言之，实时操作系统要求在规定时间内必须完成相应的操作。因此，实时操作系统可以提供及时响应，具有高可靠性。实时操作系统按照真实的时间运行，保证了模型运行结果的真实性，增加了系统的可靠性，特高了该仿真平台的可信度。
3.外测控制器
所述的外测控制器采用高性能FPGA板卡，用于对如图2所示的光伏发电系统的核心装置DC/DC变流器和DC/AC变流器进行控制。通过上述Labview FPGA编程软件，设计基于虚拟同步机的光伏并网发电系统控制策略，将设计好的控制器程序下载到外测控制器上，控制器程序运行于外测FPGA板卡上，一次系统中其他电气量运行于PXI内嵌的CPU及FPGA板卡上。如图1所示，外测控制器与PXI通过I/O接口相连，接收PXI传输的模拟信号，通过合适的控制算法产生PWM脉冲波，以数字信号的形式输出给PXI，从而实现整个系统的硬件在环仿真。
4.变流器控制算法
本发明提供一种基于虚拟同步机的光伏并网发电系统控制算法，该控制算法包括对DC/DC的控制和对DC/AC的控制。对DC/DC的控制算法基于功率外环、电流内环的双闭环控制方式下，建立同步发电机电磁功率控制器模型，以同步发电机电磁功率控制器模型的输出作为功率环的指令值，模拟同步发电机惯性、阻尼以及频率-有功特性；对于DC/AC变流器的控制是基于d-q坐标系下的直流电压外环、桥臂电流内环的双闭环控制方式下，用于建立无功-电压下垂控制器模型，以无功-电压下垂控制器模型的输出作为无功电流环的指令值，模拟同步发电机电压-无功下垂特性。
上述控制器模型作为一种程序，在光伏并网发电系统中，直流侧配置了包含DC/DC变流器的储能元件，将同步发电机模型和电磁功率控制器模型引入DC/DC变流器中，模拟同步发电机频率-有功响应特性，使系统具备类似于同步发电机的惯性、阻尼、频率-有功下垂外特性。在并网逆变器DC/AC中引入电压-无功下垂控制器模型，在保留最大功率跟踪控制的前提下，模拟同步发电机的电压-无功下垂特性，该控制方法能够实现储能元件的虚拟同步机功能，增强并网点电压强度，提升电网接纳间歇式可再生能源的能力。
Claims (7)
1.一种基于虚拟同步机的光伏并网发电系统在环实时仿真平台，其特征在于，包括上位机、PXI实时仿真系统和外测控制器，所述的上位机通过以太网分别与所述的PXI实时仿真系统和外测控制器连接，所述的PXI实时仿真系统与所述的外测控制器之间采用I/O接口连接。
2.根据权利要求1所述基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述上位机指安装有Labview FPGA编程软件、StarSim仿真软件和FPGAExpress逻辑综合与优化软件的PC，所述的Labview FPGA编程软件主要用于算法设计、参数设置和变量/状态监测；所述的StarSim仿真软件用于构建一次系统仿真模型；所述的FPGA Express逻辑综合与优化软件用于提取一次系统的输入/输出变量，为提取的变量分配并使能I/O接口。
3.根据权利要求2所述的基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述的一次系统仿真模型是光伏并网仿真系统的仿真模型，分为大步长仿真模型和小步长仿真模型，所述的大步长仿真模型包括光伏阵列、储能装置、滤波电路及交流电网模型；所述的小步长仿真模型主要为电力电子变流器模型，包括DC/DC变流器模型和DC/AC变流器模型。
4.根据权利要求3所述的基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述的大步长仿真模型运行于CPU上，所述的小步长仿真模型运行在FPGA上，所述的大步长仿真模型和小步长仿真模型采用同一时钟源，确保两个仿真部分的时间上的同步，所述的大步长仿真的步长为小步长仿真步长的整数倍。
5.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述的PXI实时仿真系统包括硬件部分和软件部分，所述的硬件部分包括CPU和FPGA，采用CPU+FPGA架构，所述的软件部分主要为NI-RT实时操作系统，所述的NI-RT实时操作系统为嵌入式操作系统。
6.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述的外测控制器选用高性能FPGA板卡，用于对电力电子变流器进行控制：接受PXI发出的模拟信号，通过烧录进控制器的控制算法产生PWM数字信号传回PXI中，对上位机中模拟的一次系统进行控制，所述的外测控制器通过I/O接口与光伏并网仿真系统进行数据交换，从而实现整个系统的硬件在环实时仿真。
7.根据权利要求1所述的基于虚拟同步机的光伏并网发电系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述外测控制器通过对DC/DC变流器和DC/AC变流器进行控制：接受PXI发出的模拟信号，通过烧录进控制器的控制算法产生PWM数字信号传回PXI中，对上位机中模拟的一次系统进行控制，使光伏并网系统在不影响最大功率跟踪功能的前提下具备类似于同步发电机的惯性/阻尼，频率-有功、电压-无功的下垂等外特性。
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