基于RTDS的光伏并网数字物理混合实时仿真平台设计

第42卷第3期电力系统保护与控制Vol.42No.32014年2月1日PowerSystemProtectionandControlFeb.1,2014基于RTDS的光伏并网数字物理混合实时仿真平台设计陈侃，冯琳，贾林壮，李国杰，莫光玲(电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海交通大学电气工程系，上海200240)摘要：作为清洁的可再生能源，太阳能光伏发电已成为国内可再生能源发展战略的重要内容。运用数字物理混合的硬件在环仿真方法对光伏并网系统的特性进行研究，能够提供便捷的实验条件和准确的实验结果。基于RTDS(RealTimeDigitalSimulator)实时仿真系统，通过其数模接口同外部DSP构成数字物理闭环，设计了一种光伏并网系统的硬件在环仿真平台，建立了容量为520kWp的光伏并网系统，实现了最大功率跟踪和并网控制的功能。最后对RTDS系统内的闭环仿真结果进行了分析，验证了所提出的数模混合硬件在环实时仿真方法的可行性和有效性。关键词：RTDS；实时仿真；光伏并网系统；硬件在环仿真Designofdigital/physicalhybridsimulationplatformforphotovoltaicgrid-connectedsystembasedonRTDSCHENKan,FENGLin,JIALin-zhuang,LIGuo-jie,MOGuang-ling(KeyLaboratoryofControlofPowerTransmissionandTransformation,MinistryofEducation(DepartmentofElectricalEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity),Shanghai200240,China)Abstract:Asoneimportantkindofrenewableenergy,solarenergyhasbecomeakeyfactorofChineserenewableenergydevelopingstrategy.ResearchonthecharacteristicofPVgrid-connectedsystembyhardware-in-the-loopsimulationcouldprovideconvenientexperimentconditionandaccurateresult.Thispaperbuildsadigital/physicalhybridsimulationplatformbasedonRTDSandestablishesa520kWpPVgrid-connectedsystem,inwhichmaximumpowerpointtracking(MPPT)andgrid-connectedcontrolareachieved.Atlast,thefeasibilityandeffectivenessofhybridPVsystemarevalidatedbytheanalysisofhardware-in-the-loopresultinRTDS.Keywords:RTDS;real-timesimulation;PVgrid-connectedsystem;hardware-in-the-loopsimulation中图分类号：TM71文献标识码：A文章编号：1674-3415(2014)03-0042-070引言在众多可再生能源中，太阳能凭其独特的优点而受到一致青睐，光伏发电已成为国内可再生能源发展战略的重要内容[1]。但由于其不同于常规电源的发电特点，输出功率波动较大，光伏发电系统的建模与仿真研究成为光伏发电领域的重要课题[2-3]。机电暂态或者电磁暂态数字仿真只能对特定的现象和范围进行仿真分析，面对快速发展的现代电力系统，经常难以描绘和分析一些新现象和新问题；传统的物理实验能够比较准确地模拟实际情况，基金项目：上海市科委资助项目(11dz1210402)；国家科技支撑计划课题(2013BAA01B04)；国家自然科学基金资助项目（51307106）但其存在建设投资巨大、参数更改困难、模拟规模有限等不足。数字混合仿真技术在一定程度上可以弥补这两种方法的不足，它拓宽了电力系统数字仿真技术的研究范围，同时也成为该领域的热点和前沿问题之一[4]。目前，国内外关于数字物理系统的混合实时仿真技术的应用主要集中在交直流高压输电、电力电子设备特性研究以及可再生能源发电研究等方面。在交直流高压输电方面，文献[5]基于功率连接技术搭建了适用于交直流大电网仿真的数模混合仿真平台，实现了高压直流输电一次设备与数字大电网的数字物理混合仿真；文献[6]采用Hypersim全数字实时仿真软件，通过信号接口和功率接口实现了全数字仿真程序与一次直流物理仿真装置和二次控制保陈侃，等基于RTDS的光伏并网数字物理混合实时仿真平台设计-43-护装置的互联，基于SGI超级计算机实现了大规模交直流电网的数模混合实时仿真。在电力电子设备特性研究方面，文献[7]通过硬件在环仿真，对电力电子系统中的反馈电流滤波器特性进行了详细的分析和研究。在可再生能源发电的研究方面，文献[8]基于RTDS系统，设计了双馈风电机组的信号型D/PHS方案，给出了数模仿真系统和变流器控制系统的开发细节。关于光伏发电的硬件在环仿真国内相关研究进行的比较少，国外进行了一些相关的研究，文献[9-10]运用RT-LAB实时仿真平台建立光伏模拟器的实时仿真模型，并分别进行了硬件在环和快速控制模型的建模和实验；文献[11]通过硬件在环的仿真手段，搭建了测试光伏电池板特性的混合实验平台，并且结合RT-LAB和Matlab/Simulink对实验结果进行校正；文献[12]基于RTDS平台研究了光伏系统的低电压穿越技术，但并未引入硬件在环混合仿真手段。本文基于RTDS设计了一种光伏并网数字物理混合实时仿真平台，RTDS通过数模接口与外部DSP设备连接构成数字物理的硬件在环系统。在该平台上实现了容量为520kWp的光伏系统的最大功率跟踪和并网控制，并且通过数字物理闭环仿真，验证了光伏并网系统最大功率和并网控制的效果。1光伏并网系统建模光伏并网发电系统结构示意图如图1所示，光伏阵列将光能转化为电能，通过光伏并网逆变器将直流电转化为交流电之后并网。整个系统的技术难点在于光伏系统发出的电能并网时，对于其电能质量有着较高的要求，频率、谐波、稳定性等参数都需要满足分布式发电并网标准[13]。图1光伏并网发电系统结构图Fig.1PVgrid-connectedpowergenerationsystem1.1光伏电池建模光伏电池的等效电路如图2所示[14]，电路由可控电流源、二极管、并联电阻和串联电阻组成。图2光伏电池等效电路Fig.2EquivalentcircuitofPVbattery光伏电池的输出电流可以作为其输出电压的函数，如式（1）。ssphdp(){exp[]1}qVRIVRIIIIAkTR（1）式中：V和I为光伏电池的输出电压和电流；phI为由光照强度决定的短路电流；dI为流过二极管的电流；sR为实际串联阻抗；pR为实际并联阻抗；q为电子电量；k为波尔兹曼常数；T为温度；A为二极管理想因子。实际应用中，光伏电池串并联组成光伏组件，光伏组件再经过串并联组成光伏阵列。一个由sMpMNN个光伏组件（其中sMN、pMN分别为光伏组件的串、并联数）组成的光伏组件的输出特性为pMscMpMscMAsAAocMsssMexp[exp1]NIINIqVRIqVNkTAkTNN（2）其中：scMI和ocMV分别为光伏阵列的短路电流和开路电压；sAR为光伏阵列的等效阻抗。1.2DC-DC部分建模为了提高光伏发电系统的效率，通常需要对光伏电池进行最大功率跟踪（MaximumPowerPointTracking,MPPT）控制。DC-DC变换器通过改变功率开关管控制信号（PWM）的导通率（占空比）来调整和控制光伏电池工作在最大功率点，实现MPPT。MPPT的实质是一个动态自寻优过程，通过对光伏阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前光伏阵列输出功率，再与前一时刻的光伏阵列输出功率相比较，使得阵列动态地工作在最大功率点[15]。本文的混合仿真系统中采用的MPPT方法是电导增量法，其计算流程如图3所示。1.3DC-AC部分建模文献[16]提出采用PQ控制将光伏发电系统接入大电网，当逆变器接入大电网后，逆变器的输出-44-电力系统保护与控制电压即为电网电压，通过调节逆变器输出电流即可实现有功功率和无功功率的解耦控制。三相逆变器电路结构图如图4所示。图3电导增量法流程图Fig.3Flowchartoftheincrementalconductancealgorithm图4三相逆变器电路结构图Fig.4Circuitstructureofthree-phaseinverter取电感电流为状态变量，列出电流状态方程如下fLddiiiiLuut（3）将式（3）经Park变换，可得到dq旋转坐标系下的电流状态方程为dfdLdfqqfqLqfdddddILUULItILUULIt（4）同时，在dq旋转坐标系下，有功无功分别为ddqqdqqd33223322PUIUIQUIUI（5）由于在同步旋转坐标系下q0U，所以功率计算公式简化为dddq3232PUIQUI（6）如果电网电压dU保持恒定，网侧逆变器的有功功率和d轴电流成正比，而无功功率和q轴电流成正比，从而可以通过分别控制d轴电流和q轴电流实现逆变器侧有功分量和无功分量独立控制[17]。本文采用双闭环控制，外环控制直流母线电压，内环控制并网电流，控制原理图如图5所示。图5逆变器控制原理框图Fig.5Schematicofathree-phaseinverter2基于RTDS的光伏并网数字物理混合实时仿真系统整体方案设计RTDS平台中建立的数字物理混合仿真系统架构图如图6所示，光伏并网系统模型的参数根据实际的光伏逆变器并网系统进行设定，MPPT部分采用电导增量法，并网策略采用双闭环直接电流控制法。系统的控制策略部分在DSP控制板中作为物理系统实现，物理系统需要用到两块DSP芯片，DSP1实现斩波升压部分的最大功率跟踪算法，DSP2实现逆变并网部分的双闭环并网控制算法。然后实现RTDS和两块DSP控制板之间的通信，即数字系统和物理系统之间的信号量传输。RTDS数字系统主回路中的光伏阵列电压电流、直流母线电压、并网的电压电流以及电网电压的频率相位都需要送给物理系统DSP控制板进行相关计算。负责斩波升压部分最大功率跟踪算法的DSP1需要将驱动信号送给数字系统中的斩波升压Boost电路部分以驱动开关管，负责逆变并网部分双闭环并网算法的DSP2需要将驱动信号送给逆变并网主电路以驱动开关管。最后，联调RTDS和DSP控制板形成数字-物理闭环回路，构成光伏并网混合实时仿真系统，从而可陈侃，等基于RTDS的光伏并网数字物理混合实时仿真平台设计-45-以对光伏并网电压电流、光伏发电系统发出有功无功等进行计算分析。图6硬件在环混合仿真系统架构图Fig.6Frameworkofhardware-in-loopsimulationsystem3光伏并网混合系统计算资源分配本文建立的光伏并网数字物理混合系统，需要RTDS实时仿真器和两块DSP一起进行混合仿真。RTDS平台内需要三块GPC计算卡，对光伏系统在RTDS内建模的部分进行实时运算，其计算资源分配情况如图7所示。其中在GPC1中进行的是小步长电压源器件的网络计算，GPC2A中对控制部分进行计算，GPC2B中进行的是系统整体网络潮流运算，GPC3中进行光伏电池板和电源部分的计算。图7数字物理混合系统处理器计算资源分配Fig.7Processorassignmentmapofhyb