CN108776438A - 含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台 - Google Patents

Abstract

一种含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台,包括电路仿真系统、PXI实时控制仿真系统、信号转接器、路由器和示波器，上位机通过路由器基于以太网分别与PXI实时电路仿真系统和PXI实时控制仿真系统进行连接，PXI实时电路仿真系统与PXI实时控制仿真系统之间通过信号转接器采用I/O接口连接，示波器与所述信号转接器外接I/O口连接，完成对应I/O接口输入/输出物理量的显示。本发明能够在实验室环境下快速开发并验证控制策略，使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；大大节约测试成本，缩短开发周期，提高运行安全性，为含电力弹簧的微电网系统的设计与验证提供基础研究平台。

Description

含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台

技术领域

本发明涉及再生能源，特别是一种含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台。

背景技术

随着再生能源如风能、太阳能等的大量并网，再生能源发电的间歇性、不稳定性、预测精度不高等特点，造成的发电量与负荷需求的不平衡问题日益突出，影响电力系统的运行安全与供电电能质量。

通过需求侧管理解决可再生能源并网带来的一系列问题得到业界广泛认可，然而普通的需求侧技术一般需要终端用户参与，或者以牺牲用户体验为代价，基于储能技术则面临高成本问题。针对上述现状，香港大学提出了基于电力电子技术的“电力弹簧”构想，将机械弹簧的概念引入电力系统中。电力弹簧由一个输入电压控制与一个功率控制器构成，通过电力弹簧将电网中电压(能量)波动转移到非关键负载，稳定关键负载电压，并自动调节非关键负载耗电量，实现发电量与用电量的自动平衡。电力弹簧改变了传统电力系统发电量跟随负载变化的运行方式，实现了需求侧负载跟随发电量变化的新型运行方式，可以有效地克服可再生能源发电并网造成的发电量与负荷不匹配问题。研究表明，电力弹簧运用于新型微电网中，还可以降低系统对储能容量的需求，节约成本；可以减小系统三相不平衡；可以改善电力系统的供电电能的质量。

与其他现有的提高微电网电能质量方法相比，电力弹簧与非关键负载串联，构成智能负载具有较强的负荷响应能力，能将分布式能源波动转移到非关键负载，也能参与频率调节。而其他微电网电压调整方法则一般直接与关键负载串联，如SSSC、DVR，或直接与关键负载并联，如STATCOM，在某些情况下，电力弹簧的调整效率比普通无功补偿装置更高。

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微电网系统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，针对含电力弹簧的微电网系统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电力弹簧的拓扑与控制器设计，且在含电力弹簧的微电网系统的实时仿真方面，尚未在NI-PXI平台上完成含电力弹簧的微电网系统的搭建与运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台。该平台能够在实验室环境下快速开发并验证控制策略，同时其丰富的I/O接口可以实现与实际硬件设备的连接与测试，使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，为含电力弹簧的微电网系统的设计与验证提供了基础研究平台。

本发明的技术解决方案如下：

一种含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台，其特点在于，包括上位机、PXI实时电路仿真系统、PXI实时控制仿真系统、信号转接器、路由器和示波器，所述的上位机通过路由器基于以太网分别与所述的PXI实时仿真系统和PXI实时控制仿真系统连接，所述的PXI实时电路仿真系统与所述的PXI实时控制仿真系统之间通过所述的信号转接器采用I/O接口连接，所述示波器与所述信号转接器的外接I/O口连接，完成对应I/O接口输入/输出物理量的显示。

所述的上位机指安装有Labview FPGA编程软件、StarSim仿真软件和Starsim HIL逻辑综合与优化软件的PC机，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StarsimHIL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PXI实时电路仿真系统接受外部控制信号，并完成电力系统的一次系统模型实时仿真，所述的一次系统仿真模型是微电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风力发电模型、关键负载、非关键负载、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弹簧变流器模型。

所述的大步长仿真模型运行于PXI机箱内置的CPU上，所述的小步长仿真模型运行在PXI外接的FPGA板卡上，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。

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。

所述的PXI实时控制仿真系统，选用高性能FPGA板卡，用于对电力弹簧电力电子变流器进行控制：接受PXI实时电路仿真系统发出的模拟信号，通过烧录进控制器的控制算法产生PWM数字信号传回PXI实时电路仿真系统中，对PXI实时电路仿真系统中模拟的一次系统进行控制，所述的PXI实时控制仿真系统通过信号转接器的I/O接口与PXI实时电路仿真系统中微电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。

本发明的优点和积极效果在于：

1)过去基于实物硬件搭建的实验平台修改元件参数、修改电路拓扑以及修改控制算法均较为困难。电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台通过硬件与仿真的结合，使得要实现元件参数、电路拓扑以及控制算法的修改只需要在仿真软件上修改即可，仿真参数的修改会自动体现在硬件在环实验的硬件上，因此更为简便快速，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)能够模拟微电网系统及各组件特性，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)将硬件在环实验平台引入电力弹簧的搭建，可以方便对电力弹簧的控制策略进行优化，为电力弹簧技术应用于微电网的研究提供了基础平台。

附图说明

图1是本发明含电力弹簧的微电网系统在环实时仿真平台的硬件架构示意图。

图2是本发明含电力弹簧的微电网系统在环实时仿真平台的软件架构示意图。

图3是含电力弹簧的微电网系统结构图。

图4是电力弹簧控制结构图。

图5三相电力弹簧容性-容性模式下实验结果

图6三相电力弹簧容性-阻性模式下实验结果

图7三相电力弹簧阻性-感性模式下实验结果

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。

(一)PXI模型

如图1和图2所示，本发明含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台由上位机1、PXI实时电路仿真系统2、PXI实时控制仿真系统3、信号转接器4、路由器5和示波器6六部分构成，所述的上位机1通过路由器5基于以太网分别与所述的PXI实时电路仿真系统2和PXI实时控制仿真系统3进行连接，所述的PXI实时电路仿真系统2与所述的PXI实时控制仿真系统3之间通过所述信号转接器4采用I/O接口连接，所述示波器6与所述信号转接器8外接I/O口连接，完成对应I/O接口输入/输出物理量的显示。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，并安装现Labview FPGA编程软件、StarSim仿真软件和Starsim HIL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，同时可以实时监测微电网系统运行数据，包括：关键负载电压、非关键负载电压、非关键负载电流、电力弹簧端电压、系统频率、电网电压等。

StarSim仿真软件用于构建一次系统仿真模型，如图3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，针对本发明包括风力发电模型、关键负载、非关键负载、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，包括所有的电力弹簧装置的电力电子变流器，一般需要几微秒级的仿真步长才能准确仿真。

所述的Starsim HIL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，作为控制器的输入信号通路；将提取的门极控制信号分配给控制器的数字量I/O接口并使能，作为控制器的输出信号，即PWM脉冲波通路。

2.PXI实时电路仿真系统

所述的PXI实时电路仿真系统是本发明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关键负载、非关键负载、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电力弹簧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，提高了该仿真平台的可信度。

3.PXI实时控制仿真系统

所述的PXI实时控制仿真系统采用高性能FPGA板卡，用于对如图3所示的电力弹簧中的变流器进行控制。通过上述Labview FPGA编程软件，设计含电力弹簧的微电网系统控制器程序，并将设计好的控制器程序下载到PXI实时控制仿真系统中，控制器程序运行于PXI实时控制仿真系统内嵌的FPGA板卡上，一次系统中其他电气量运行于PXI实时电路仿真系统内嵌的CPU及FPGA板卡上。如图2所示，PXI实时控制仿真系统与PXI实时电路仿真系统之间通过所述的信号转接器I/O接口连接，接收PXI实时电路仿真系统传输的模拟信号，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实时电路仿真系统，从而实现整个系统的硬件在环仿真。

(二)电力弹簧控制算法

1.电力弹簧控制算法描述

本发明提供一种含电力弹簧的微电网系统控制算法，该控制算法包括对电力弹簧对关键负载电压参考值的跟踪环节以及能量的转移环节。电力弹簧工作于纯无功补偿装置的状态，其作用是在电网侧电压波动的情况下，通过转移非关键负荷的能量来保证关键负荷的正常运行；从电气量的关系上看，是通过调节电力弹簧逆变器出口处电压，压缩或增加非关键负荷电压来实现关键负荷电压的恒定。电力弹簧直流侧电压由蓄电池组或者背靠背整流系统提供；交流电压跟踪则采用先对交流量进行DQ变换后得到直流分量，然后采用PI调节器分别进行跟踪控制。

上述控制器模型作为一种程序，在含电力弹簧的微电网系统中，可以实现电力弹簧基于本地信息完成电压与功率波动的平抑，提高关键负载电压的强度与质量，提升电网接纳间歇式可再生能源的能力。

2.电力弹簧硬件在环测试及其结果

本文首先基于Labview搭建离线模型，然后再在Starsim HIL上将其离线模型转换为硬件在环的模型。由以下案例可以看出，硬件在环的测试结果与理论分析是一致。

1、容性-容性模式实验

网侧初始电压为233.3V，而后跳变到219V，此时网侧电压均低于阻性工作点电压值，故电力弹簧将进入容性工作模式，稳定关键负载电压到额定工作电压。实验结果如图5所示，由实验结果可知，网侧电压波动前后关键负载电压能恢复稳定，且非关键负载电流超前电力弹簧端电压90°，电力弹簧始终处于在容性工作模式，实验结果与分析一致。

2、容性-阻性模式实验

网侧电压初始为240.5V，而后跳变到247.3V，电力弹簧由容性工作模式跳转到阻性工作模式。实验结果如图6所示，由实验结果可知，网侧电压变化前后关键负载电压稳定，且初始非关键负载电流超前电力弹簧端电压90°，电力弹簧工作在容性工作模式，网侧电压跳变后，电力弹簧端电压接近0V，电力弹簧进入阻性工作模式，实验结果与分析一致。

3、阻性-感性模式实验

网侧电初始为247.3V，而后跳变到254.6V，电力弹簧由阻性工作模式进入感性工作模式。实验结果如图7所示，由实验结果可知，网侧电压变化前后关键负载电压稳定，且初始电力弹簧端电压为0V，跳变后，电力弹簧端电压输出增大，非关键负载电流滞后电力弹簧端电压90°，电力弹簧工作在感性工作模式，实验结果与分析一致。

上述三个实验的结果证明了三相平衡电力弹簧控制策略的有效性，同时，网侧电压发生阶跃后，系统均能在约2-3个周期内恢复稳定，由此表明该控制策略具有较好的动态稳定性能。

以上的基于硬件在环的电力弹簧实验与实验相符，硬件在环实验可以很好地用于电力弹簧控制策略的测试中。

Claims (6)

1.一种含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，包括上位机、PXI实时电路仿真系统、PXI实时控制仿真系统、信号转接器、路由器和示波器，所述的上位机通过路由器基于以太网分别与所述的PXI实时仿真系统和PXI实时控制仿真系统连接，所述的PXI实时电路仿真系统与所述的PXI实时控制仿真系统之间通过所述信号转接器采用I/O接口连接，所述示波器与所述信号转接器外接I/O口连接，完成对应I/O接口输入/输出物理量的显示。

2.根据权利要求1所述的含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述的上位机指安装有Labview FPGA编程软件、StarSim仿真软件和Starsim HIL逻辑综合与优化软件的PC计算机，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StarsimHIL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所述的含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述的PXI实时电路仿真系统接受外部控制信号，并完成电力系统的一次系统模型实时仿真，所述的一次系统仿真模型是微电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风力发电模型、关键负载、非关键负载、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弹簧变流器模型。

4.根据权利要求3所述的含电力弹簧的微电网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PXI机箱内置的CPU上，所述的小步长仿真模型运行在PXI外接的FPGA板卡上，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所述的含电力弹簧的微电网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所述的含电力弹簧的微电网系统硬件在环实时仿真平台，其特征在于，所述的PXI实时控制仿真系统，选用高性能FPGA板卡，用于对电力弹簧电力电子变流器进行控制：接受PXI实时电路仿真系统发出的模拟信号，通过烧录进控制器的控制算法产生PWM数字信号传回PXI实时电路仿真系统中，对PXI实时电路仿真系统中模拟的一次系统进行控制，所述的PXI实时控制仿真系统通过信号转接器的I/O接口与PXI实时电路仿真系统中微电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。