CN109768572A - 面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台，包括数模混合仿真部分和电力信息仿真部分，精确模拟光伏直流升压汇集系统特性，测试真实物理设备的性能，研究真实设备对电力系统运行的影响，模拟真实通信环境，分析不同通信环境下电力系统运行工况，研究通信状况对电力系统影响，克服了实物系统受现实条件的限制，提高了电力信息物理系统的仿真能力。

Description

面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台

所属领域

本发明属于电力系统仿真技术领域，具体涉及一种面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台及方法。

背景技术

随着光伏电站规模的不断扩大，传统的交流汇集系统谐波谐振、无功传输问题日益突出，严重制约了光伏电站的送出能力，因此光伏电站采用直流升压汇集送出成为未来的建设重要方向。

目前，针对光伏电站采用直流升压汇集送出的现有平台较为单一，现有的电力信息仿真平台模拟真实通信环境的能力不足，不能完全再现各种真实通信场景，现有的数模混合仿真平台不具备针对性，不能准确反映光伏直流升压站并网逆变器特性，并且，针对光伏电站采用直流升压汇集送出的现有平台更加不能集成电力信息仿真功能和数模混合仿真功能，准确性和实用性都大打折扣，因而，针对光伏系统直流汇集接入系统的拓扑结构多变和控制保护复杂的问题，急需一套完善的平台为开展光伏直流升压汇集接入系统技术研究和工程实践提供技术支持。

发明内容

本发明正是针对现有技术中的问题，提供了一种面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台及方法，包括数模混合仿真部分和电力信息仿真部分，精确模拟光伏直流升压汇集系统特性，测试真实物理设备的性能，研究真实设备对电力系统运行的影响，模拟真实通信环境，分析不同通信环境下电力系统运行工况，研究通信状况对电力系统影响，克服了实物系统受现实条件的限制，提高了电力信息物理系统的仿真能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台，包括数模混合仿真部分和电力信息仿真部分，

所述数模混合仿真部分由电力系统仿真器、功率硬件电路和功率放大器构成，所述电力系统仿真器连接到功率放大器上，功率放大器与功率硬件电路相连，所述电力系统仿真器、功率硬件电路、功率放大器均通过电气连接相连；

所述电力信息仿真部分由电力系统仿真器、通信系统仿真器和嵌入式控制器构成，所述嵌入式控制器和通信系统仿真器连接，所述电力系统仿真器、通信系统仿真器和嵌入式控制器之间通过以太网传输数据；

还包括电力系统仿真器上位机，所述电力系统仿真器、电力系统仿真器上位机和通信系统仿真器连接到交换机上形成局域网；

所述数模混合仿真部分将电力系统仿真器的数字模拟与实际设备及电路的物理模拟相结合，形成闭环测试系统，用于检测实际设备及电路的使用性能状况；

所述电力信息仿真部分将电力系统信息流数据与电力流数据进行耦合仿真，体现通信状况及控制过程对系统的影响。

作为本发明的一种改进，所述功率硬件电路包括DC-AC转换器、滤波器、调压器和直流负载；

所述电力系统仿真器包括光伏阵列模型、线路模型、逆变器模型、变压器模型、通信模块和模拟量输入输出模块，光伏站通过串并联的方式汇集接入到直流母线上；

所述通信系统仿真器中的模型包括光伏站通信工作站模型、通信接口模型、路由器模型、线路模型；

所述嵌入式控制器包括数据采集单元、状态监控单元和控制算法单元。

为了实现上述目的，本发明还采用的技术方案是：面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真方法，所述数模混合仿真步骤将电力系统仿真器得到的数字信号通过功率放大器连接至真实并网逆变器及滤波电路上，最终连接至交流电网，将电力系统仿真器的数字模拟与实际设备及电路的物理模拟相结合，形成闭环测试系统；

所述电力信息混合仿真步骤，基于通信系统仿真器模拟实际电力系统的通信状况，利用嵌入式控制器模拟实际光伏站监控中心，以硬件在环形式接入电力信息仿真平台中，用于模拟实际运行时光伏站的通信及站级控制过程，将电力系统信息流数据与电力流数据进行耦合仿真；

所述两步骤同时进行。

作为本发明的一种改进，所述数模混合仿真步骤进一步包括：

S1，电力系统仿真器对电力系统模型进行实时仿真，光伏站通过串并联的形式连接，系统采集电压信息并将模拟量通过电气连接传送到功率放大器；

S2，功率放大器将采集到的电压信号放大，连接到功率硬件电路，同时将电流信号以模拟量形式反馈给电力系统仿真器；

S3，功率放大器的输出电压，通过DC-AC两电平变换器连接到交流电网上，实现光伏直流升压并网，同时将滤波电路后的电压电流信号采样值反馈给电力系统仿真器；

S4，电力系统仿真器根据电压电流采样信号产生PWM控制信号，输出到DC-AC两电平变换器上。

作为本发明的另一种改进，所述电力信息混合仿真步骤进一步包括：

S1’，电力系统仿真器对电力系统模型进行实时仿真，通信模块采集光伏站的状态信息，打包成UDP数据包发送到信息系统仿真器；

S2’，通信系统仿真器将接收到的光伏站状态信息拆分发给对应的通信工作站，通信工作站对接收到的数据进行处理后发送给嵌入式控制器；

S3’，所述嵌入式控制器将接收的光伏站状态信息进行控制处理，根据实际需要产生控制指令，并发送给通信系统仿真器；

S4’，所述通信系统仿真器将接收到的光伏站控制指令分发到通信工作站，通信工作站将控制指令转发到所述电力系统仿真器中；

S5’，所述电力系统仿真器将接收到的控制指令下发到相应光伏站，调整光伏站的出力，并判断仿真是否结束，若尚未结束则返回步骤S1’，循环步骤S1’至步骤S5’，直至结束，则仿真停止。

与现有技术相比，本发明专利针对光伏电站采用直流升压汇集送出的现有平台更加不能集成电力信息仿真功能和数模混合仿真功能的问题，提出了一种面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台及方法，能够精确模拟光伏直流升压汇集系统的并网特性，测试真实物理设备对电力系统的影响；所述电力系统仿真器能够准确模拟光伏阵列和逆变器输出特性，真实再现光伏直流站工况；能够准确模拟通信系统状况和常见的通信系统故障，如通信堵塞、通信系统断线和网络攻击；能够检测光伏直流升压系统的状态信息，根据实际控制需求产生相应的控制指令，下发到光伏站，维持系统安全稳定运行；本方法适用于测试真实物理设备性能，研究真实设备对电力系统运行的影响；模拟真实通信环境，分析不同通信环境下电力系统运行工况，研究通信状况对电力系统影响，克服了实物系统受现实条件的限制，提高了电力信息物理系统的仿真能力。

附图说明

图1是本发明面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台的结构框架图；

图2是本发明实施例2中仿真平台的实物组件图；

图3是本发明实施例2中逆变器直流侧电压波形图；

图4是本发明实施例2中逆变器输出电流测量值图；

图5是本发明实施例2中逆变器输出有功功率波形图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例，对本发明进行较为详细的说明。

实施例1

面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台，如图1所示，包括数模混合仿真部分和电力信息仿真部分，

所述数模混合仿真部分由电力系统仿真器、功率硬件电路和功率放大器构成，所述电力系统仿真器连接到功率放大器上，功率放大器与功率硬件电路相连，功率硬件电路包括DC-AC转换器、滤波器、调压器和直流负载，电力系统仿真器包括光伏阵列模型、线路模型、逆变器模型、变压器模型、通信模块和模拟量输入输出模块，光伏站通过串并联的方式汇集接入到直流母线上，所述电力系统仿真器、功率硬件电路、功率放大器均通过电气连接相连；

所述电力信息仿真部分由电力系统仿真器、通信系统仿真器和嵌入式控制器构成，所述嵌入式控制器和通信系统仿真器连接，通信系统仿真器中的模型包括光伏站通信工作站模型、通信接口模型、路由器模型、线路模型，嵌入式控制器包括数据采集单元、状态监控单元和控制算法单元，所述电力系统仿真器、通信系统仿真器和嵌入式控制器之间通过以太网传输数据；

还包括电力系统仿真器上位机，所述电力系统仿真器、电力系统仿真器上位机和通信系统仿真器连接到交换机上形成局域网；

光伏直流升压系统交流侧功率硬件电路均选择真实设备和元件，传输模拟量信号，控制系统及信息系统在仿真软件中实现，以数字量形式进行数据交互；

所述数模混合仿真步骤进一步包括：

S1，电力系统仿真器对电力系统模型进行实时仿真，光伏站通过串并联的形式连接，系统采集电压信息并将模拟量通过电气连接传送到功率放大器；

S2，功率放大器将采集到的电压信号放大，连接到功率硬件电路，同时将电流信号以模拟量形式反馈给电力系统仿真器；

S3，功率放大器的输出电压，通过DC-AC两电平变换器连接到交流电网上，实现光伏直流升压并网，同时将滤波电路后的电压电流信号采样值反馈给电力系统仿真器；

S4，电力系统仿真器根据电压电流采样信号产生PWM控制信号，输出到DC-AC两电平变换器上；

所述电力信息混合仿真步骤进一步包括：

S1’，电力系统仿真器对电力系统模型进行实时仿真，通信模块采集光伏站的状态信息，打包成UDP数据包发送到信息系统仿真器；

S2’，通信系统仿真器将接收到的光伏站状态信息拆分发给对应的通信工作站，通信工作站对接收到的数据进行处理后发送给嵌入式控制器；

S3’，所述嵌入式控制器将接收的光伏站状态信息进行控制处理，根据实际需要产生控制指令，并发送给通信系统仿真器；

S4’，所述通信系统仿真器将接收到的光伏站控制指令分发到通信工作站，通信工作站将控制指令转发到所述电力系统仿真器中；

S5’，所述电力系统仿真器将接收到的控制指令下发到相应光伏站，调整光伏站的出力，并判断仿真是否结束，若尚未结束则返回步骤S1’，循环步骤S1’至步骤S5’，直至结束，则仿真停止。

实施例2

图2为本发明的一种仿真平台的实例，如图2所示，功率放大器采用SPS四象限功放，电力系统仿真器选择OPAL-RT公司的eMEGAsim仿真器，装有RT-LAB的计算机作为电力系统仿真器上位机，通信系统仿真器选择OPNET主机，嵌入式控制器选择核心器件为TMS320F28377DSP芯片的DSP开发板，滤波电路的滤波电感选用10mH，滤波电容100μF。

具体实施方案如下：将光伏直流升压直流侧实时仿真模型以及并网逆变器的控制模型放在eMEGAsim仿真器中运行，仿真其将直流侧电压信号经过功率放大器进行放大，功放输出依次经过功率硬件部分的逆变器、滤波器以及调压器接入电网；同时，eMEGAsim仿真器将状态信息以数字量形式经由OPNET主机发送到DSP控制器中，控制器下达控制指令再回到中。

实验仿真场景设置如下：1s时，使能逆变器控制；2s时，光伏合闸并网；20s时，光照强度从500W/m2变为300W/m2，40s时，光照强度从300W/m2变为500W/m2。

如图3-图5所示，图3为逆变器直流侧电压波形，相电压峰峰值约为54V；图4为逆变器输出电流测量值，电流幅值在测试进行至2s时上升至约5A，20s处下降至约3A，40s时恢复至5A左右；图5为逆变器输出有功功率波形，在2s处输出功率上升至130W左右，20s处因为光强减弱输出功率下降为70W左右，40s光强恢复，输出功率恢复至约130W，由于硬件电路产生的损耗，逆变器实际输出功率要比仿真设置值时略少。从仿真结果可以看出，仿真平台能够准确模拟光伏直流升压汇集系统的运行工况，测试真实设备的并网性能，且体现通信过程对实际电网控制的影响。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的限制，上述实例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (5)

1.面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台，其特征在于包括数模混合仿真部分和电力信息仿真部分，

所述数模混合仿真部分由电力系统仿真器、功率硬件电路和功率放大器构成，所述电力系统仿真器连接到功率放大器上，功率放大器与功率硬件电路相连，所述电力系统仿真器、功率硬件电路、功率放大器均通过电气连接相连；

所述电力信息仿真部分由电力系统仿真器、通信系统仿真器和嵌入式控制器构成，所述嵌入式控制器和通信系统仿真器连接，所述电力系统仿真器、通信系统仿真器和嵌入式控制器之间通过以太网传输数据；

还包括电力系统仿真器上位机，所述电力系统仿真器、电力系统仿真器上位机和通信系统仿真器连接到交换机上形成局域网；

所述数模混合仿真部分将电力系统仿真器的数字模拟与实际设备及电路的物理模拟相结合，形成闭环测试系统，用于检测实际设备及电路的使用性能状况；

所述电力信息仿真部分将电力系统信息流数据与电力流数据进行耦合仿真，体现通信状况及控制过程对系统的影响。

2.如权利要求1所述的面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真平台，其特征在于所述功率硬件电路包括DC-AC转换器、滤波器、调压器和直流负载；

所述电力系统仿真器包括光伏阵列模型、线路模型、逆变器模型、变压器模型、通信模块和模拟量输入输出模块，光伏站通过串并联的方式汇集接入到直流母线上；

所述通信系统仿真器中的模型包括光伏站通信工作站模型、通信接口模型、路由器模型、线路模型；

所述嵌入式控制器包括数据采集单元、状态监控单元和控制算法单元。

3.面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真方法，其特征在于包括数模混合仿真步骤和电力信息混合仿真步骤，

所述数模混合仿真步骤将电力系统仿真器得到的数字信号通过功率放大器连接至真实并网逆变器及滤波电路上，最终连接至交流电网，将电力系统仿真器的数字模拟与实际设备及电路的物理模拟相结合，形成闭环测试系统；

所述电力信息混合仿真步骤，基于通信系统仿真器模拟实际电力系统的通信状况，利用嵌入式控制器模拟实际光伏站监控中心，以硬件在环形式接入电力信息仿真平台中，用于模拟实际运行时光伏站的通信及站级控制过程，将电力系统信息流数据与电力流数据进行耦合仿真；

所述两步骤同时进行。

4.如权利要求3所述的面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真方法，其特征在于所述数模混合仿真步骤进一步包括：

S1，电力系统仿真器对电力系统模型进行实时仿真，光伏站通过串并联的形式连接，系统采集电压信息并将模拟量通过电气连接传送到功率放大器；

S2，功率放大器将采集到的电压信号放大，连接到功率硬件电路，同时将电流信号以模拟量形式反馈给电力系统仿真器；

S3，功率放大器的输出电压，通过DC-AC两电平变换器连接到交流电网上，实现光伏直流升压并网，同时将滤波电路后的电压电流信号采样值反馈给电力系统仿真器；

S4，电力系统仿真器根据电压电流采样信号产生PWM控制信号，输出到DC-AC两电平变换器上。

5.如权利要求3或4所述的面向光伏直流升压汇集系统的电力信息数模混合仿真方法，其特征在于所述电力信息混合仿真步骤进一步包括：

S1’，电力系统仿真器对电力系统模型进行实时仿真，通信模块采集光伏站的状态信息，打包成UDP数据包发送到信息系统仿真器；

S2’，通信系统仿真器将接收到的光伏站状态信息拆分发给对应的通信工作站，通信工作站对接收到的数据进行处理后发送给嵌入式控制器；

S3’，所述嵌入式控制器将接收的光伏站状态信息进行控制处理，根据实际需要产生控制指令，并发送给通信系统仿真器；

S4’，所述通信系统仿真器将接收到的光伏站控制指令分发到通信工作站，通信工作站将控制指令转发到所述电力系统仿真器中；

S5’，所述电力系统仿真器将接收到的控制指令下发到相应光伏站，调整光伏站的出力，并判断仿真是否结束，若尚未结束则返回步骤S1’，循环步骤S1’至步骤S5’，直至结束，则仿真停止。