CN112462626B - 一种并网逆变器运行参数的仿真优化方法 - Google Patents

一种并网逆变器运行参数的仿真优化方法 Download PDF

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CN112462626B CN202011351824.5A CN202011351824A CN112462626B CN 112462626 B CN112462626 B CN 112462626B CN 202011351824 A CN202011351824 A CN 202011351824A CN 112462626 B CN112462626 B CN 112462626B
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Abstract

本发明公开了一种并网逆变器运行参数的仿真优化方法，属于仿真测试领域。该仿真优化方法针对硬件在环仿真系统存在操作步骤繁琐，调试参数效率低等问题，进行了改进。本发明提出一种并网逆变器运行参数仿真优化方法，该仿真优化方法可在不同控制参数、不同环境参数下对并网逆变器的进行自动仿真测试，不同条件下的逆变器工作情况可以一键输出，一目了然地找到最佳控制参数。

Description

一种并网逆变器运行参数的仿真优化方法
技术领域
本发明涉及仿真测试领域，具体地说是一种并网逆变器运行参数的仿真优化方法。
背景技术
电力电子系统非常复杂，且具有非线性、时变的特点，故其设计和分析的难度较大，一般需要借助一些仿真工具来辅助产品的设计，以缩短其开发周期、降低开发费用并提高可靠性。半实物实时仿真作为重要的仿真形式，其一般有两种方式：“实际控制器+虚拟对象”和“虚拟控制器+实际对象”，主要应用于电力电子系统控制器软件的开发过程。目前在使用RTLAB仿真平台开发电力电子系统的过程中，大多以RTLAB平台装载主拓扑及电气环境，以外接控制器装载控制策略，构成“实际控制器+虚拟对象”的硬件在环仿真平台。但在该平台下调整控制器参数，以及验证电力电子系统是否符合标准的测试过程中，需要多次重复停机、修改控制器参数、修改模型、编译、仿真等步骤，且模型较大时系统启停较慢，使得在该平台下进行调试与测试非常低效。而在RTLAB环境下使用Python控制脚本调用该仿真系统，给高效的、自动化的硬件在环仿真带来了可能。
综上所述，对光伏并网逆变器仿真测试仍然存在以下问题：
1、现有的光伏并网逆变器在环仿真平台需要多次手动改变参数，多次按步骤进行半实物仿真，多次保存、分析数据，整个过程会消耗大量时间。
2、现有的并网标准测试平台，控制策略需要经过有功功率控制、无功功率控制、故障穿越控制、运行适应性、防孤岛保护等测试，测试过程繁杂，测试环境多变，需要多次修改模型及电气参数，同样是一个耗时长、效率低的过程。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何实现加速参数迭代、仿真的过程，同时输入多组控制参数，并将多组参数下的控制结果一并分析，更高效的选择出最佳控制参数以及如何完成仿真步骤的自动化，自动切换测试项目，自动迭代预设电气参数，自动保存测试结果等；
本发明的目的是这样实现的。本发明提供了一种并网逆变器运行参数的仿真优化方法，首先基于Simulink仿真平台构建并网逆变器仿真模型，然后将该并网逆变器仿真模型转换为RT-LAB环境中，通过运行该并网逆变器仿真模型对并网逆变器运行中的运行参数进行仿真测试，并通过控制系统对运行参数进行优化；所述的控制系统包括上位机和控制器DSP，上位机和控制器DSP通过仿真器连接；所述并网逆变器运行中的运行参数包括控制参数和环境参数，所述控制参数为PI调节器的比例系数和积分系数，所述环境参数为逆变器有功功率和电网电压；具体步骤如下：
步骤1，搭建并网逆变器仿真模型；
所述并网逆变器仿真模型由光伏阵列、逆变器主电路、滤波器和电网模块组成，其中，光伏阵列与逆变器主电路相连，逆变器主电路与滤波器相连，滤波器与电网模块相连，逆变器主电路通过串口通信与控制器DSP连接；
步骤2，仿真时段的设立；
令进行一次仿真测试的时长为仿真时长L，将仿真时长L等分为n个仿真时段，每一个仿真时段的时长记为仿真时段时长v，v＝L/n，将n个仿真时段中的任一个仿真时段记为仿真时段Sx，x＝1，2…n；
步骤3，给定每个仿真时段的比例系数测试值和积分系数测试值，并组成一个比例系数测试值和积分系数测试值的集合A，A＝{(Kp1，KI1)，(Kp2，KI2)…，(Kpx，KIx)...，(Kpn，KIn)}，其中，Kpx为仿真时段Sx对应的比例系数测试值，KIx为仿真时段Sx对应的积分系数测试值；
步骤4，通过有功功率的仿真测试进行最佳控制参数的选择；
步骤4.1，给定m个逆变器有功功率测试值，并组成一个逆变器有功功率测试值集合B，B＝{Pn1，Pn2…，Pnj…，Pnm}，其中，Pnj为集合B中任意一个逆变器有功功率测试值，j＝1，2…，m；
步骤4.2，在一个仿真时段Sx内，输入集合B中的每一个逆变器有功功率测试值并运行并网逆变器仿真模型，其中一个逆变器有功功率测试值输入后的测试过程如下：逆变器有功功率测试值Pnj输入后保持2分钟，通过控制器DSP实时追踪逆变器交流侧电压Uf和电流If，并每间隔0.2秒计算一次逆变器有功功率实时值Pnz，Pnz＝Uf×If，即对于一个逆变器有功功率测试值Pnj，得到600个逆变器有功功率实时值Pnz，对后300个逆变器有功功率实时值Pnz求平均数得到与Pnj对应的逆变器有功功率仿真平均值
Figure BDA0002797330700000031
并得到与Pnj对应的控制误差ΔP，
Figure BDA0002797330700000032
对集合B中的m个逆变器有功功率测试值进行上述输入和计算后，得到m个逆变器有功功率仿真平均值
Figure BDA0002797330700000033
和m个控制误差ΔP，并绘制出一条
Figure BDA0002797330700000034
曲线，其中t为时间；
将m个控制误差ΔP相加并求平均值得到仿真时段Sx内的控制误差平均值为
Figure BDA0002797330700000035
将该控制误差平均值
Figure BDA0002797330700000036
与光伏发电并网逆变器检测技术规范中给定的允许控制误差进行比较，若满足技术规范要求，则将该
Figure BDA0002797330700000041
曲线记录为有效
Figure BDA0002797330700000042
曲线，并进入步骤4.3；如果未满足技术规范要求，则删除该仿真时段Sx及对应的所有测试数据和
Figure BDA0002797330700000043
曲线；
步骤4.3，对集合A中的每一个仿真时段进行步骤4.2的输入和计算，共得到n1条有效
Figure BDA0002797330700000044
曲线，n1≤n；
步骤4.4，对n1条有效
Figure BDA0002797330700000045
曲线中的每一条曲线，考察逆变器有功功率仿真平均值
Figure BDA0002797330700000046
的变化趋势，并记录其超调量σ，得到与n1条有效
Figure BDA0002797330700000047
曲线对应的n1个超调量σ；在n1个超调量σ中选择数值最小的超调量σ，并将该超调量σ对应的有效
Figure BDA0002797330700000048
曲线作为最佳
Figure BDA0002797330700000049
曲线，最佳
Figure BDA00027973307000000410
曲线对应的比例系数测试值为最佳比例系数Kp，最佳
Figure BDA00027973307000000411
曲线对应的积分系数测试值记为最佳控制参数KI；
步骤5，输入步骤4得到的最佳比例系数Kp和最佳积分系数KI，继续运行并网逆变器仿真模型进行电网电压的仿真测试；
步骤5.1，给定每个仿真时段Sx电网电压的测试值，并组成一个电网电压测试值的集合C，C＝{U1，U2...，Ux…，Un}，其中，Ux为仿真时段Sx对应的电网电压测试值，U1为仿真时段S1对应的电网电压测试值，Un为仿真时段Sn对应的电网电压测试值；
步骤5.2，在每一个仿真时段Sx内，调节电网装置，使输出的电网电压从给定的电网电压额定值跃至电网电压测试值Ux，通过控制器DSP实时追踪逆变器有功功率值Pw和逆变器无功功率值Qw，并通过串口通信反馈到上位机中；n个仿真时段Sx结束后，共得到n组逆变器有功功率Pw和逆变器无功功率Qw，并自动生成一条Pw-Qw-t的变化曲线；
步骤5.3，考察Pw-Qw-t的变化曲线，判断该逆变器仿真模型在环境参数电网电压变动时是否能够正常运行，如果能够正常运行，则进入步骤6；如果不能正常运行，则返回步骤3；
步骤6，记录本次运行中得到的运行参数，本次优化结束。
优选地，所述串口通信采用的RS485串口通信协议，使控制系统与逆变器主电路实现交互。
优选地，所述的超调量σ为并网逆变器有功功率仿真平均值
Figure BDA0002797330700000051
变化并振荡衰减至稳态值的最大超出量与稳态值之比。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的并网逆变器运行参数的仿真优化方法可实现仿真步骤的自动化；
2、本发明提供的并网逆变器运行参数的仿真优化方法可实现分时段对控制器中逆变器参数进行预设，一次仿真，即可获得逆变器在多种控制参数下的运行结果；
3、本发明提供的并网逆变器运行参数的仿真优化方法可实现分时段对逆变器外部电气环境进行预设，达到一次仿真，获得逆变器在不同电气环境下的运行结果。
4、在相同的电路拓扑、电网环境下，本发明提供的并网逆变器运行参数的仿真优化方法加速了硬件在环仿真系统下寻找最佳控制参数、逆变器控制策略的性能测试的过程。
附图说明
图1为本发明仿真优化方法的流程图；
图2为本发明搭建的并网逆变器仿真模型图；
图3为本发明实施例中得到的一条
Figure BDA0002797330700000061
曲线图；
图4为本发明实例中得到的Pw-Qw-t曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
本发明提供了一种并网逆变器运行参数的仿真优化方法，首先基于Simulink仿真平台构建并网逆变器仿真模型，然后将该并网逆变器仿真模型转换为RT-LAB环境中，通过运行该并网逆变器仿真模型对并网逆变器运行中的运行参数进行仿真测试，并通过控制系统对运行参数进行优化。
所述的控制系统包括上位机和控制器DSP，上位机和控制器DSP通过仿真器连接。
所述并网逆变器运行中的运行参数包括控制参数和环境参数，所述控制参数为PI调节器的比例系数和积分系数，所述环境参数为逆变器有功功率和电网电压。
图1为本发明仿真优化方法的流程图，由该图可见，所述仿真优化方法的具体步骤如下：
步骤1，搭建并网逆变器仿真模型。
图2为本实施例中搭建的并网逆变器仿真模型，由图1所见，所述并网逆变器仿真模型由光伏阵列、逆变器主电路、滤波器和电网模块组成，其中，光伏阵列与逆变器主电路相连，逆变器主电路与滤波器相连，滤波器与电网模块相连，逆变器主电路通过串口通信与控制器DSP连接。
在本实施例中，所述串口通信采用的RS485串口通信协议，使控制系统与逆变器主电路实现交互。
步骤2，仿真时段的设立。
令进行一次仿真测试的时长为仿真时长L，将仿真时长L等分为n个仿真时段，每一个仿真时段的时长记为仿真时段时长v，v＝L/n，将n个仿真时段中的任一个仿真时段记为仿真时段Sx，x＝1，2...n。在本实施例中，n＝8，即一次仿真测试的时长中包括8个仿真时段。
步骤3，给定每个仿真时段的比例系数测试值和积分系数测试值，并组成一个比例系数测试值和积分系数测试值的集合A，A＝{(Kp1，KI1)，(Kp2，KI2)...，(Kpx，KIx)...，(Kpn，KIn)}，其中，Kpx为仿真时段Sx对应的比例系数测试值，KIx为仿真时段Sx对应的积分系数测试值。
步骤4，通过有功功率的仿真测试进行最佳控制参数的选择。
步骤4.1，给定m个逆变器有功功率测试值，并组成一个逆变器有功功率测试值集合B，B＝{Pn1，Pn2…，Pnj…，Pnm}，其中，Pnj为集合B中任意一个逆变器有功功率测试值，j＝1，2...，m；
在本实施例中，m＝8，即集合B中包括8个逆变器有功功率测试值，分别为：Pn1＝1.0PN，Pn2＝0.2PN，Pn3＝0.3PN，Pn4＝0.4PN，Pn5＝0.5PN，Pn6＝1.1PN，Pn7＝1.2PN，Pn8＝1.3PN，PN为给定的逆变器有功功率额定值。
步骤4.2，在一个仿真时段Sx内，输入集合B中的每一个逆变器有功功率测试值并运行并网逆变器仿真模型，其中一个逆变器有功功率测试值输入后的测试过程如下：输入一个逆变器有功功率测试值后保持2分钟，通过控制器DSP实时追踪逆变器交流侧电压Uf和电流If，并每间隔0.2秒计算一次逆变器有功功率实时值Pnz，Pnz＝Uf×If，即对于一个逆变器有功功率测试值Pnj，得到600个逆变器有功功率实时值Pnz，对后300个逆变器有功功率实时值Pnz求平均数得到与Pnj对应的逆变器有功功率仿真平均值
Figure BDA0002797330700000081
并得到与Pnj对应的控制误差ΔP，
Figure BDA0002797330700000082
对集合B中的8个逆变器有功功率测试值进行上述输入和计算后，得到8个逆变器有功功率仿真平均值
Figure BDA0002797330700000083
和8个控制误差ΔP，并绘制出一条
Figure BDA0002797330700000084
曲线，其中t为时间。图3为本发明实施例中得到的一条
Figure BDA0002797330700000085
曲线图。
将8个控制误差ΔP相加并求平均值得到仿真时段Sx内的控制误差平均值为
Figure BDA0002797330700000086
将该控制误差平均值
Figure BDA0002797330700000087
与光伏发电并网逆变器检测技术规范中给定的允许控制误差进行比较，若满足技术规范要求，则将该
Figure BDA0002797330700000088
曲线记录为有效
Figure BDA0002797330700000089
曲线，并进入步骤4.3；如果未满足技术规范要求，则删除该仿真时段Sx及对应的所有测试数据和
Figure BDA00027973307000000810
曲线；
步骤4.3，对集合A中的n个仿真时段进行步骤4.2的输入和计算，共得到n1条有效
Figure BDA00027973307000000811
曲线，n1≤n。在本实施例中，nl＝7。
步骤4.4，对nl条有效
Figure BDA00027973307000000812
曲线中的每一条曲线，考察逆变器有功功率仿真平均值
Figure BDA00027973307000000813
的变化趋势，并记录其超调量σ，得到与nl条有效
Figure BDA00027973307000000814
曲线对应的n1个超调量σ；所述的超调量σ为并网逆变器有功功率仿真平均值
Figure BDA0002797330700000091
变化并振荡衰减至稳态值的最大超出量与稳态值之比。
在n1个超调量σ中选择数值最小的超调量σ，并将该超调量σ对应的有效
Figure BDA0002797330700000092
曲线作为最佳
Figure BDA0002797330700000093
曲线，最佳
Figure BDA0002797330700000094
曲线对应的比例系数测试值为最佳比例系数Kp，最佳
Figure BDA0002797330700000095
曲线对应的积分系数测试值记为最佳控制参数KI。
步骤5，输入步骤4得到的最佳比例系数Kp和最佳积分系数KI，继续运行并网逆变器仿真模型进行电网电压的仿真测试；
步骤5.1，给定每个仿真时段Sx电网电压的测试值，并组成一个电网电压测试值的集合C，C＝{U1，U2…，Ux…，Un}，其中，Ux为仿真时段Sx对应的电网电压测试值，U1为仿真时段S1对应的电网电压测试值，Un为仿真时段Sn对应的电网电压测试值。在本实施例中，给定的电网电压测试值为8个，分别为：U1＝91％UN，U2＝94％UN，U3＝96％UN，U4＝98％UN，U5＝101％UN，U6＝103％UN，U7＝105％UN，U8＝109％UN。
步骤5.2，在每一个仿真时段Sx内，调节电网装置，使输出的电网电压从给定的电网电压额定值跃至电网电压测试值Ux，通过控制器DSP实时追踪逆变器有功功率值Pw和逆变器无功功率值Qw，并通过串口通信反馈到上位机中；n个仿真时段Sx结束后，共得到n组逆变器有功功率Pw和逆变器无功功率Qw，并自动生成一条Pw-Qw-t的变化曲线。图4为本发明实例中得到的Pw-Qw-t曲线图，该曲线图给出了8个仿真时段对应的逆变器有功功率Pw、逆变器无功功率Qw数随时间变化的趋势。
步骤5.3，考察Pw-Qw-t的变化曲线，判断该逆变器仿真模型在环境参数电网电压变动时是否能够正常运行，如果能够正常运行，则进入步骤6；如果不能正常运行，则返回步骤3。
所述返回步骤3即重新调整集合A中的比例系数测试值Kp和积分系数测试值KI，并再次进行步骤4-步骤5的仿真优化测试。
步骤6，记录本次运行中得到的运行参数，本次优化结束。

Claims (3)

1.一种并网逆变器运行参数的仿真优化方法，其特征在于，首先基于Simulink仿真平台构建并网逆变器仿真模型，然后将该并网逆变器仿真模型转换为RT-LAB环境中，通过运行该并网逆变器仿真模型对并网逆变器运行中的运行参数进行仿真测试，并通过控制系统对运行参数进行优化；所述的控制系统包括上位机和控制器DSP，上位机和控制器DSP通过仿真器连接；所述并网逆变器运行中的运行参数包括控制参数和环境参数，所述控制参数为PI调节器的比例系数和积分系数，所述环境参数为逆变器有功功率和电网电压；具体步骤如下：
步骤1，搭建并网逆变器仿真模型；
所述并网逆变器仿真模型由光伏阵列、逆变器主电路、滤波器和电网模块组成，其中，光伏阵列与逆变器主电路相连，逆变器主电路与滤波器相连，滤波器与电网模块相连，逆变器主电路通过串口通信与控制器DSP连接；
步骤2，仿真时段的设立；
令进行一次仿真测试的时长为仿真时长L，将仿真时长L等分为n个仿真时段，每一个仿真时段的时长记为仿真时段时长v，v＝L/n，将n个仿真时段中的任一个仿真时段记为仿真时段Sx，x＝1,2...n；
步骤3，给定每个仿真时段的比例系数测试值和积分系数测试值，并组成一个比例系数测试值和积分系数测试值的集合A,A＝{(Kp1,KI1),(Kp2,KI2)...,(Kpx,KIx)...,(Kpn,KIn)},其中，Kpx为仿真时段Sx对应的比例系数测试值，KIx为仿真时段Sx对应的积分系数测试值；
步骤4，通过有功功率的仿真测试进行最佳控制参数的选择；
步骤4.1，给定m个逆变器有功功率测试值，并组成一个逆变器有功功率测试值集合B,B＝{Pn1,Pn2…,Pnj…,Pnm},其中，Pnj为集合B中任意一个逆变器有功功率测试值，j＝1,2...,m；
步骤4.2，在一个仿真时段Sx内，输入集合B中的每一个逆变器有功功率测试值并运行并网逆变器仿真模型，其中一个逆变器有功功率测试值输入后的测试过程如下:逆变器有功功率测试值Pnj输入后保持2分钟，通过控制器DSP实时追踪逆变器交流侧电压Uf和电流If，并每间隔0.2秒计算一次逆变器有功功率实时值Pnz，Pnz＝Uf×If，即对于一个逆变器有功功率测试值Pnj，得到600个逆变器有功功率实时值Pnz，对后300个逆变器有功功率实时值Pnz求平均数得到与Pnj对应的逆变器有功功率仿真平均值
Figure FDA0003509180630000021
并得到与Pnj对应的控制误差△P，
Figure FDA0003509180630000022
PN为给定的逆变器有功功率额定值；
对集合B中的m个逆变器有功功率测试值进行上述输入和计算后，得到m个逆变器有功功率仿真平均值
Figure FDA0003509180630000023
和m个控制误差△P，并绘制出一条
Figure FDA0003509180630000024
曲线，其中t为时间；
将m个控制误差△P相加并求平均值得到仿真时段Sx内的控制误差平均值为
Figure FDA0003509180630000025
将该控制误差平均值
Figure FDA0003509180630000026
与光伏发电并网逆变器检测技术规范中给定的允许控制误差进行比较，若满足技术规范要求，则将该
Figure FDA0003509180630000031
曲线记录为有效
Figure FDA0003509180630000032
曲线，并进入步骤4.3；如果未满足技术规范要求，则删除该仿真时段Sx及对应的所有测试数据和
Figure FDA0003509180630000033
曲线；
步骤4.3，对集合A中的每一个仿真时段进行步骤4.2的输入和计算，共得到n1条有效
Figure FDA0003509180630000034
曲线，n1≤n；
步骤4.4,对n1条有效
Figure FDA0003509180630000035
曲线中的每一条曲线，考察逆变器有功功率仿真平均值
Figure FDA0003509180630000036
的变化趋势，并记录其超调量σ，得到与n1条有效
Figure FDA0003509180630000037
曲线对应的n1个超调量σ；在n1个超调量σ中选择数值最小的超调量σ，并将该超调量σ对应的有效
Figure FDA0003509180630000038
曲线作为最佳
Figure FDA0003509180630000039
曲线，最佳
Figure FDA00035091806300000310
曲线对应的比例系数测试值为最佳比例系数Kp，最佳
Figure FDA00035091806300000311
曲线对应的积分系数测试值记为最佳控制参数KI；
步骤5，输入步骤4得到的最佳比例系数Kp和最佳积分系数KI，继续运行并网逆变器仿真模型进行电网电压的仿真测试；
步骤5.1，给定每个仿真时段Sx电网电压的测试值，并组成一个电网电压测试值的集合C,C＝{U1,U2...,Ux...,Un},其中，Ux为仿真时段Sx对应的电网电压测试值，U1为仿真时段S1对应的电网电压测试值，Un为仿真时段Sn对应的电网电压测试值；
步骤5.2，在每一个仿真时段Sx内，调节电网装置，使输出的电网电压从给定的电网电压额定值跃至电网电压测试值Ux，通过控制器DSP实时追踪逆变器有功功率值Pw和逆变器无功功率值Qw，并通过串口通信反馈到上位机中；n个仿真时段Sx结束后，共得到n组逆变器有功功率Pw和逆变器无功功率Qw，并自动生成一条Pw-Qw-t的变化曲线；
步骤5.3,考察Pw-Qw-t的变化曲线，判断该逆变器仿真模型在环境参数电网电压变动时是否能够正常运行，如果能够正常运行，则进入步骤6；如果不能正常运行，则返回步骤3；
步骤6，记录本次运行中得到的运行参数，本次优化结束。
2.根据权利要求1所述的并网逆变器运行参数的仿真优化方法，其特征在于，所述串口通信采用的RS485串口通信协议，使控制系统与逆变器主电路实现交互。
3.根据权利要求1所述的并网逆变器运行参数的仿真优化方法，其特征在于，所述的超调量σ为并网逆变器有功功率仿真平均值
Figure FDA0003509180630000041
变化并振荡衰减至稳态值的最大超出量与稳态值之比。
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