沈 华, 陈葛亮, 林 林, 张晓琳

(1.国网江苏省电力有限公司 南通供电分公司, 江苏 南通 226000;2.中国电力科学研究院有限公司, 江苏 南京 210003)

0 引 言

近年来分布式新能源发展迅猛,为实现分布式新能源的高效利用,基于分布式光伏、储能等新能源的直流输出特性,直接向直流负载供电,构建局部性的直流供电系统将是一种行之有效的方法,可有效地降低分布式新能源的交直流变换损耗,提高其利用效率[1-4]。

与交流微电网相比,直流微电网中电压只涉及幅值没有频率控制问题,直流系统的电能质量更容易保证。在不增加互联交流配电网短路容量的前提下,直流微电网可以有效地维持交流配电网电压和频率的稳定,改善原有交流配电网中电能质量的问题,提高了系统的稳定性[5-8]。但是直流母线电压易受间歇性新能源及负荷的影响而失稳,且交流电网发生故障时,分布式直流微电网对电网的故障影响和故障响应能力无法预知[9-14]。若建立微电网试验平台,资金投入大,且在实际试验过程中涉及到大功率、强电流测试,使得故障和极限条件下的测试尤为不足,实时仿真测试平台可以弥补诸多不足。但是,如果采用全数字仿真平台进行研究时,则完全脱离了对硬件的依赖,部分暂态特性无法精确模拟。利用先进的实时仿真软件,结合硬件在环仿真技术,则可以很好地解决这个矛盾[15-16]。因此,本文提出一种能够真实反映微电网特性的硬件在环仿真平台实现方法,对直流微电网特性进行分析,进而辅助调度决策。

1 控制器硬件在环仿真

基于RT-LAB仿真系统开发光储直流微电网实时仿真平台。RT-LAB实时仿真器是加拿大Opal-RT公司开发的一套基于模型的工程设计和测试应用平台,包括主机和目标机两部分。硬件在环仿真连接如图1所示。主机为运行Windows操作系统的PC,安装有MATLAB/Simulink、RT-LAB软件,完成建模、在线调整参数及信号监控等工作,也称为上位机。目标机包括基于PC设计的并可并行运算CPU处理器和FPGA处理器,完成系统模型的编译和计算等工作,也称为下位机。主机和目标机的仿真模型通过TCP/IP进行交互[17-19]。

2 平台总体设计

光储直流微电网拓扑如图2所示。由30 kW光伏直流发电系统、180 kWh 储能系统、30 kW直流负荷以及100 kW并网接口装置组成。其中,并网接口装置主要功能实现直流微电网与交流电网之间有功功率控制。DC/DC变换器的作用是将储能单元和光伏电压抬升到直流母线的电压等级。

基于RT-LAB的直流微电网硬件在环仿真平台如图3所示。

平台包括仿真模型、物理I/O接口和真实控制器3部分。其中,仿真模型为直流微电网一次回路模型,由亚微秒级仿真步长的FPGA网表模型和微秒级仿真步长的CPU模型组成;真实控制器为光伏DC/DC变换器控制器、储能DC/DC变换器控制器和并网接口装置控制器,实现控制策略计算;物理I/O接口实现一次回路模型和对应的真实控制器的无缝对接。

以光伏DC/DC变换器为例,通过光伏DC/DC变换器一次电气回路模型的电压、电流等模拟量信号,通过物理I/O接口输出至光伏控制器,控制器将脉冲信号、开关信号等返回至主电路仿真模型中,驱动光伏DC/DC变换器主电路模型运行。

3 仿真模型建立

直流微电网一次回路模型中涉及的具体模型:光伏阵列模型、储能电池模型、DC/DC变换器、DC/AC变换器、变压器模型以及电网模型。上述模型中,光伏阵列、储能电池和电网模型对仿真步长要求均不高,而涉及到电力电子器件的电路部分,尤其是DC/DC变换器,开关频率均大于10 kHz,传统基于CPU处理器的实时仿真已经不能满足仿真精度的需求,需要采用RT-LAB的eFPGAsim工具来实现,借助eFPGAsim提供的模型库及电气硬件解算器(e-Hardware Solver,eHS)算法,建立网表模型,能实现电力电子拓扑的基于FPGA的硬件在环实时仿真,实现亚微秒级仿真[20-23]。因此,直流微电网一次回路模型中,光伏阵列模型、储能电池模型和电网模型均在CPU中建模,两组DC/DC变换器以及并网接口装置DC/AC变换器模型在eHS建模。CPU模型和FPGA模型通过解耦模型进行连接。

光伏阵列模型、储能电池模型以及电网模型在文献中已有许多描述[8,24]。本节着重介绍由电力电子变换器组成的网表模型和不同仿真步长之间的解耦模型。

3.1 网表模型

基于FPGA的实时仿真支持特定的电力电子电路器件,通过这些特定的电气元件可搭建任意拓扑结构的电力电子电路。基于FPGA eHS能实现仿真步长为200 ns至1 ms实时仿真。因此,基于SimPowerSystems模型的编辑接口,建立DC/DC主电路和DC/AC主电路,设置电路元器件参数,形成电力电子电路网表模型。将网表模型直接下载至FPGA中,可对电路进行实时仿真。

3.2 解耦模型

直流输入侧的光伏阵列、储能电池模型在文献中已有众多描述,在此不再详细介绍。其模型多基于数学公式和受控源方式组成,不需要电路解耦,需要通过解耦模型进行分割。

并网接口装置模型与电网模型原本属于同一电路中,若将其分为两部分采用不同的仿真步长、置于不同的处理器中进行解算,需要进行解耦,且解耦模块之间的连接为信号连接,而非电气连接。在此,基于变压器T型等效电路实现两种仿真时间尺度模型解耦。

变压器解耦主要依据变压器实际参数,建立变压器T型等效模型,并将变压器一次侧或二次侧的短路电感进行离散化[21-22],拆分为两部分,分别置于不同仿真尺度的模型中,并通过电感的伏安特性公式离散化实现电气量信号的传递与解耦。

对于任意电感L,伏安特性公式为

(1)

对式(1)进行等效变换,并进行积分,可以得到:

(2)

将式(2)展开,可以得到:

(3)

(4)

假定步长为Ts,将式(4)离散化,可以得到:

(5)

通过式(5)可知,电感L可以用电压源与电阻的串联来表示,电感离散化电路如图4所示。

其中:

K1=-2L/Ts

(6)

R1=2L/Ts

(7)

因此,将电感拆分的两部分均进行伏安特性离散化,基于离散化公式中的受控信号实现模型的信号连接。

4 试验分析

基于控制器硬件在环仿真平台对直流微电网进行相关试验,平台软硬件参数如表1所示。

表1 平台软硬件参数

以自启动试验进行分析。直流供电系统自启动是指在离网运行或是因故障停运后,系统能够在不依赖其他网络帮助下,利用内部储能单元直接为协调控制器以及二次回路供电,使整个系统在离网状态下能够逐步恢复运行。微电网系统中,储能电池作为主电源通过DC/DC建立起母线电压,光伏电池通过DC/DC接入直流母线并完成开机。储能电池建立母线电压波形如图5所示。由图5可知,经100 ms建立起稳定的直流母线电压。

光伏启动波形如图6所示。由图6可知,光伏DC/DC在MPPT模式下投入运行,经40 ms达到最大功率点,输出功率为29.8 kW。

5 结 语

基于RT-LAB控制器硬件在环仿真技术,建立了多控制器硬件在环的光伏直流微电网实时仿真平台。基于变压器解耦建模的CPU和FPGA联合解算技术,实现高频DC/DC变换器的精确建模与实时仿真,基于物理I/O接口实现3套真实控制器与RT-LAB仿真的对接,最终通过所建平台开展相关试验,验证了所建平台的正确性。控制器是决定控制性能的核心部分,该平台建立为其未来工程实现中的相关系统的研发提供有力的支撑,真实模拟直流微电网特性,进而辅助调度决策。