楊　蘋，許志榮，宋嗣博，鄭群儒，周少雄，廖一旭，李暢飛

(1.華南理工大學電力學院，廣東廣州　510640；2.華南理工大學廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣東廣州　511458；3.華南理工大學風電控制與并網(wǎng)技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東廣州　511458；4.廣東智造能源科技研究有限公司，廣東廣州　511458)

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基于RTDS的風光發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真分析

楊蘋1，2，許志榮1，3，宋嗣博1，鄭群儒1，周少雄4，廖一旭4，李暢飛4

(1.華南理工大學電力學院，廣東廣州510640；2.華南理工大學廣東省綠色能源技術重點實驗室，廣東廣州511458；3.華南理工大學風電控制與并網(wǎng)技術國家地方聯(lián)合工程實驗室，廣東廣州511458；4.廣東智造能源科技研究有限公司，廣東廣州511458)

0　引　言

風光等新型能源可有效解決遠離大電網(wǎng)供電的偏遠地區(qū)或海島生活的供電難題，對當?shù)亟洕l(fā)展和居民生活保障具有重要意義[1-3]。光伏發(fā)電、風力發(fā)電憑借其獨特的優(yōu)點一直受到青睞，已成為國內可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容，但由于其不同于常規(guī)電源的發(fā)電特點，輸出功率波動較大，因此在實際日照強度、風速和溫度下的風光發(fā)電系統(tǒng)建模與仿真研究成為新能源發(fā)電領域的重要課題。文獻[4]基于比例諧振電流控制器對大功率并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進行研究，在RTDS上對光伏并網(wǎng)逆變器的穩(wěn)態(tài)波形、并網(wǎng)電流諧波畸變率和電流控制器動態(tài)響應進行考察。文獻[5]通過RTDS的大步長仿真模型和小步長模型構建了低電壓穿越仿真平臺，設計了在電壓正常和對稱跌落時兩種控制策略以抑制低電壓“尖峰”。文獻[6]主要研究雙饋式風電場暫態(tài)電壓控制系統(tǒng)，并通過RTDS仿真進行驗證。文獻[7]提出了一種控制策略來解決光伏陣列有功無功的間歇性問題，并控制電池的功率輸出，通過RTDS驗證了所提策略的準確性。上述文獻多采用純RTDS軟件建模仿真對所建模型或所提策略進行驗證，但其準確性及可靠性受所研究系統(tǒng)數(shù)學模型的建模精確程度影響很大[8]，同時并未考慮與外部真實情況的聯(lián)系，有時由于實際模型的復雜性，建立的模型也不夠準確，故需將實際系統(tǒng)對象原型放置在仿真系統(tǒng)中進行研究[9-10]。

雖然實際物理試驗能更加真實準確地驗證所建模型，為其理論研究提供實驗支撐，但是隨著風光發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模擴大、模型復雜化，建立一個大功率的風光發(fā)電系統(tǒng)試驗平臺耗資巨大、設備參數(shù)不能靈活調節(jié)、所能提供的實驗功能也較少、模擬規(guī)模有限，因此只能為特定的研究內容提供實驗，而不具備通用性，并且接入實際電網(wǎng)后難以進行一些相關試驗來檢驗控制系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的相互影響，如低壓穿越、孤島檢測等。數(shù)字物理混合仿真技術在一定程度上可以彌補以上這些不足，對風光發(fā)電系統(tǒng)控制策略的研究顯得非常必要。數(shù)字仿真通過計算機軟件平臺模擬實際風光發(fā)電系統(tǒng)，克服了物理仿真的缺陷。風光發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)字物理混合實時仿真條件更接近于實際情況，在實驗室中既可對控制策略的性能進行檢驗和調試，大大縮短了控制系統(tǒng)的研究周期，節(jié)省科研經費，又可實時修正控制參數(shù)、控制策略，為實際工程設計提供實踐依據(jù)，因此具有廣闊的應用前景。

本文建立了基于RTDS的純軟件和數(shù)字物理混合仿真單體控制系統(tǒng)模型，包括光伏發(fā)電系統(tǒng)模型和永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)模型。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)在光照變化、限功率運行、低電壓穿越3種情況下進行仿真，對于風力發(fā)電系統(tǒng)分別在風速升高和風速降低兩種情況下進行仿真，最后就純RTDS模型和數(shù)字物理混合模型進行對比分析，驗證所建混合仿真分析的準確性。

1　風光發(fā)電系統(tǒng)RTDS建模

1.1光伏發(fā)電系統(tǒng)RTDS建模

本文所采用光伏并網(wǎng)逆變器的拓撲結構如圖1所示[11-12]。圖中：L1為逆變器側濾波器；R1為L1內阻及線路上的寄生阻抗；R2和L2為線路上的寄生電阻和電感；Rd為抑制LCL濾波器的諧振特性而設置的無源阻尼電阻。

圖1　三電平光伏并網(wǎng)逆變器拓撲結構

為方便分析，定義開關函數(shù)Sk(k=a,b,c)

(1)

以直流側電容中點o作為參考零點，則逆變器輸出三相電壓可表示為

(2)

為簡化分析，在建模過程中忽略Rd作用，列出三電平光伏并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)方程，公式中k=a,b,c。

(3)

(4)

(5)

由公式(3)、(4)、(5)整理可得系統(tǒng)在abc坐標系下的狀態(tài)空間方程為

(6)

忽略線路的寄生電阻R2和電感L2，穩(wěn)態(tài)時，ek=uck，將式(6)轉換到同步旋轉坐標系下，則可以得到dq坐標系下并網(wǎng)逆變器的狀態(tài)方程為

(7)

本系統(tǒng)中，光伏的MPPT 控制是通過Boost 升壓電路實現(xiàn)的，其控制結構框圖如圖2所示。

圖3　永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結構

圖2　MPPT控制框圖

1.2永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)RTDS建模

永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)拓撲結構如圖3所示，永磁直驅發(fā)電機輸出電能經不可控整流器整流后輸入前級Boost升壓電路，Boost升壓電路對輸入電壓進行升壓并完成最大功率點跟蹤控制，然后將能量都注入逆變器直流側，最后逆變器通過逆變實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行。整個系統(tǒng)中不可控整流器實現(xiàn)電能的交直流變換，Boost升壓電路則用于實現(xiàn)升壓和最大功率點跟蹤控制，逆變器則用于實現(xiàn)對直流側電壓的穩(wěn)定控制和并網(wǎng)運行。

2　系統(tǒng)架構與通信架構

2.1風光發(fā)電實時仿真系統(tǒng)結構

在光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真模型中，光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路為RTDS模型，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器為物理控制器[13]，在該類型數(shù)字物理混合仿真模型中，光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、變壓器等主電路元件均為RTDS模型，而光伏系統(tǒng)控制器則為實際物理控制器，兩者間通過RTDS的GTAO和GTDI板卡接口連接在一起，控制器通過采集RTDS平臺GTAO板卡輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)的電壓、電流、開關狀態(tài)等信息，用于控制器算法運行，并產生用于控制并網(wǎng)逆變器的PWM脈沖和并網(wǎng)開關控制信號，最后，通過RTDS的GTDI板卡將控制脈沖輸入RTDS系統(tǒng)，實現(xiàn)對光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制，進而完成光伏發(fā)電系統(tǒng)的閉環(huán)測試。

在永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真模型中，風力機、變流器、變壓器等主電路元件均為RTDS模型，而控制器則為實際物理控制器，兩者間通過RTDS的GTAO和GTDI板卡連接在一起，控制器通過采集風力發(fā)電系統(tǒng)的電壓、電流、風速、開關狀態(tài)等信息進行算法運行，最后再通過GTDI接口將控制PWM脈沖和開關動作信息輸入RTDS系統(tǒng)中，從而實現(xiàn)對風力發(fā)電系統(tǒng)的閉環(huán)控制[6，14]。

在純RTDS軟件風光發(fā)電系統(tǒng)模型和數(shù)字物理混合風光發(fā)電模型測試完畢后，將其組合成為小型微電網(wǎng)系統(tǒng)，用于研究風光發(fā)電系統(tǒng)的運行特性。由上述的風光發(fā)電系統(tǒng)組成的數(shù)字物理混合風光發(fā)電系統(tǒng)電氣拓撲結構及硬件結構分別如圖4、5所示。

圖4　數(shù)字物理混合風光發(fā)電系統(tǒng)電氣拓撲結構圖

圖5　數(shù)字物理混合風光發(fā)電系統(tǒng)硬件結構圖

2.2通信架構

光伏發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真模型和永磁直風力系統(tǒng)數(shù)字物理仿真模型之間的連接是通過RS485/以太網(wǎng)的方式通信，而與儲能系統(tǒng)、負荷等純RTDS模型的連接是通過硬接線方式連接，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，系統(tǒng)通信結構圖6所示。

圖6　系統(tǒng)通信框架

3　風光發(fā)電系統(tǒng)RTDS實驗分析

3.1光伏系統(tǒng)實驗對比分析

仿真實驗由純RTDS實時仿真系統(tǒng)實驗及含實際物理設備的混合仿真系統(tǒng)實驗兩部分構成，其中光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、變壓器等主電路元件均為RTDS模型構成電力系統(tǒng)，而光伏系統(tǒng)控制器則為實際物理控制器，兩者間通過RTDS的GTAO和GTDI板卡接口連接在一起。

3.1.1光照變化

圖7　兩種模型動態(tài)下的有功功率和無功功率(光照變化時)

在0～2s內，光照強度為1 000W/m2，兩類模型的輸出有功功率相近，2s時，光照強度減弱，最后穩(wěn)定在600W/m2，在此過程中，純RTDS軟件模型輸出功率由30kW緩慢變化到15.7kW，調節(jié)過程約為1s，而數(shù)字物理混合仿真模型輸出有功功率也由30.2kW變化為14.5kW，調節(jié)過程也約為1s，兩者動態(tài)調節(jié)過程相似，最后穩(wěn)態(tài)時，兩者輸出有功功率相差約為1.2kW。

兩者輸出功率差異除了信號采樣精度高，傳輸延時和干擾等差異外，還會因為最大功率點尋優(yōu)過程中，所尋找到最優(yōu)電壓的差異不同而不同，因為光伏系統(tǒng)尋優(yōu)過程是通過擾動光伏陣列端電壓來實現(xiàn)尋優(yōu)的，由于算法精度問題，最后的電壓會穩(wěn)定在最大功率點電壓左右，因此兩者最終的電壓的不同也會造成輸出功率的不同。在整個過程中，無功功率基本保持不變，純RTDS軟件模型無功功率約為0.15kvar，數(shù)字物理混合仿真模型輸出無功功率約為0.5kvar，兩者相差也很小，在可接受范圍，可以認為兩種模型動態(tài)運行時外部特性基本一致。

3.1.2限功率運行

圖8為光伏功率限定值由100%變?yōu)?0%時的限功率運行響應波形。圖中：P1、Q1分別表示光伏系統(tǒng)純RTDS 軟件模型的有功功率和無功功率；P2、Q2分別表示光伏系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真模型的有功功率和無功功率。

圖8　兩種模型動態(tài)下的有功功率和無功功率(限功率運行)

由圖知，在0～2s內，光伏系統(tǒng)工作在額定狀態(tài)，2s后，光伏系統(tǒng)降額運行，功率限制為70%額定功率，由于功率的限定，光伏系統(tǒng)將限定有功功率的輸出，在此過程中，純RTDS軟件模型有功功率由30kW 變化到21.2kW，數(shù)字/物理混合仿真模型輸出有功功率由29.5kW變化到20.2kW，并網(wǎng)有功功率相差1kW，而并網(wǎng)無功功率在整個過程中基本保持不變，純RTDS軟件模型無功功率約為0.4kvar，數(shù)字物理混合仿真模型輸出無功功率約為0.7kvar，相差0.3kvar，

因此，兩者相差也很小，在可接受范圍，可以認為兩種模型限功率運行時外部特性基本一致。

3.1.3低電壓穿越

圖9為光伏發(fā)電系統(tǒng)低電壓穿越試驗波形。圖中：P1、Q1分別表示光伏系統(tǒng)純RTDS 軟件模型的有功功率和無功功率；P2、Q2分別表示光伏系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真模型的有功功率和無功功率。

應用型本科院校要加強對高層次應用型人才培養(yǎng)模式的研究，進一步明確學生應全面準確掌握的理論知識、專業(yè)能力和技能水平，同時，積極探索并建立與市場經濟相適應的市場主導的長期、穩(wěn)定、制度化的校企聯(lián)合培養(yǎng)人才新機制，建立更加完善的學習實踐和現(xiàn)代學徒制度。在專業(yè)設置、課程內容和教學模式等方面突出職業(yè)導向，不斷推進應用型本科院校與行業(yè)企業(yè)的交流互動，深化校企合作，推動校企之間實施全方位、深層次、全過程的人才培養(yǎng)新模式，不斷提高人才培養(yǎng)質量。

圖9　兩種模型動態(tài)下的有功功率和無功功率(低電壓穿越)

在整個低電壓穿越試驗中，純RTDS軟件模型和數(shù)字物理混合仿真模型的輸出有功功率和無功功率變化趨勢基本一致，當電壓大于0.2pu時，數(shù)字物理混合仿真模型的輸出無功功率比純RTDS模型發(fā)出的無功功率要大，這可能是由于當電壓較小時，控制器測量的電壓偏小，使得系統(tǒng)補償?shù)墓β蔬^多，從而使輸出無功變多，但兩者無功差異在可接受范圍，在整個過程中，兩類模型都保持并網(wǎng)運行，沒有脫網(wǎng)，實現(xiàn)了光伏系統(tǒng)的低電壓穿越功能。

3.1.4小結

綜上可知，純軟件模型和數(shù)字物理混合仿真模型雖然具有一些差異，但兩種外部特性和動態(tài)特性基本一致，兩種類型模型都可以用于模擬光伏系統(tǒng)的特性，仿真結果也證明了兩種模型的有效性。

3.2風電系統(tǒng)實驗對比分析

仿真實驗由純RTDS實時仿真系統(tǒng)實驗及含實際物理設備的混合仿真系統(tǒng)實驗兩部分構成，其中風力機、變流器、變壓器等主電路元件均為RTDS模型，而控制器則為實際物理控制器，兩者間通過RTDS的GTAO和GTDI板卡連接在一起。

圖10為風速由11.5m/s變化到9m/s時的動態(tài)響應。圖中，P1、Q1分別表示永磁直驅風電系統(tǒng)純RTDS軟件模型的有功功率和無功功率，P2、Q2分別表示永磁直驅風電系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真模型的有功功率和無功功率。

圖10　風速由11.5m/s到9m/s時的動態(tài)仿真波形

由圖知，對于純軟件模型，永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)有功功率由25.5kW下降到11.7kW 左右；對于數(shù)字物理混合模型，永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)有功功率由24.6kW下降到10.8kW左右；兩者并網(wǎng)有功功率很接近，且變化趨勢一致，而純RTDS模型和數(shù)字物理混合模型的輸出無功功率在整個過程中基本保持不變，分別為0.4kvar和0.7kvar，穩(wěn)定時，兩者有功功率和無功功率分別相差0.9kW和0.3kvar，在可接受范圍，認為兩者外特性基本一致。

兩種模型的差異主要來源有采樣精度差異、信號傳遞延時差異、信號傳遞受干擾不同和兩類模型的尋優(yōu)結果的差異造成。

當風速由11m/s 變化到13m/s時，兩種模型響應分別如圖11所示，圖中，P1、Q1分別表示永磁直驅風電系統(tǒng)純RTDS軟件模型的有功功率和無功功率，P2、Q2分別表示永磁直驅風電系統(tǒng)數(shù)字物理混合仿真模型的有功功率和無功功率。

圖11　風速由11m/s到13m/s時的動態(tài)仿真波形

由圖知，純RTDS模型有功功率調節(jié)較快，數(shù)字物理混合模型有功功率調節(jié)相對而言慢些，但兩種模型的輸出有功功率變化趨勢基本一致，而無功功率在整個調節(jié)過程中保持不變，兩類模型有功功率和無功功率在調節(jié)過程中最大相差分別為1.5kW和0.4kvar，在可接受范圍，認為兩者外特性基本一致。

由上面分析知，永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的純軟件模型和數(shù)字物理混合仿真模型兩者外特性基本一致，兩種模型都可以用于模型風力發(fā)電系統(tǒng)特性，但是兩種模型還是有一定的差異，這是因為純軟件模型所有信號都在RTDS系統(tǒng)中，反饋信號采樣精度高，控制系統(tǒng)響應速度快，所以功率和電壓波動小，而數(shù)字物理混合仿真模型需要RTDS系統(tǒng)與實際物理設備間進行信號交互，信號在傳遞過程中會因為設備采樣精度限制、信號傳遞過程的延時、信號傳遞過程中受到干擾等因素的影響，使得控制系統(tǒng)的響應受到影響，從而會引起兩類模型的差異。雖然兩種模型具有差異，但還在可接受范圍內，兩種模型都可以用于模擬永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電特性。

4　結　論

本文建立了基于RTDS的純軟件和數(shù)字物理混合仿真控制系統(tǒng)模型，包括光伏發(fā)電系統(tǒng)模型和永磁直驅風力發(fā)電系統(tǒng)模型。對于光伏發(fā)電系統(tǒng)在光照變化、限功率運行、低電壓穿越3種情況下進行仿真，對于風力發(fā)電系統(tǒng)分別在風速升高和風速降低兩種情況下進行仿真，最后就純RTDS模型和數(shù)字物理混合模型進行對比分析，純軟件模型和數(shù)字物理混合仿真模型雖然具有一些差異，但兩種外部特性和動態(tài)特性基本一致，兩種類型模型都可以用于模擬光伏系統(tǒng)的特性，仿真結果也證明了兩種模型的有效性。

通過仿真驗證，可認為數(shù)字物理混合仿真模型可達到純軟件仿真的效果，且風光發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)字物理混合實時仿真條件更接近于實際情況，在實驗室中既可對控制策略的性能進行檢驗和調試，大大縮短控制系統(tǒng)的研究周期，節(jié)省科研經費，又可實時修正控制參數(shù)、控制策略，為實際工程設計提供實踐依據(jù)，因此具有廣闊的應用前景。

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(責任編輯：楊秋霞)

Hybrid Simulation Analysis of Wind/Photovoltaic System Based on Real-time Digital Simulator

YANG Ping1,2，XU Zhirong1,3，SONG Sibo1，ZHENG Qunru1，ZHOU Shaoxiong4，LIAO Yixu4，LI Changfei4

(1. School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. Guangdong Key Laboratory of Clean Energy Technology，South China University of Technology, Guangzhou 511458, China;3. National-Local Joint Engineering Laboratory for Wind Power Control and Integration Technology, South China University of Technology, Guangzhou 511458, China;4. Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou, 511458, China)

風光發(fā)電系統(tǒng)的仿真分析研究是發(fā)展可再生能源發(fā)電技術的重要環(huán)節(jié)，本文針對風光發(fā)電系統(tǒng)數(shù)字物理混合實時數(shù)字仿真的關鍵技術展開研究，構建風光發(fā)電系統(tǒng)電氣架構和通信架構，采用實時數(shù)字仿真器作為研究工具，建立基于RTDS純軟件的各微電源單體控制系統(tǒng)模型和基于RTDS的數(shù)字物理混合仿真單體微電源模型，并分別在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)兩種情況下對其進行仿真分析，研究兩者間特性的差異，證明所建模型的有效性，為兩類模型的選擇使用提供指導。數(shù)字物理混和仿真分析條件更接近于實際情況，既可在物理平臺上對控制策略的性能進行檢驗和調試，又可實時修正控制參數(shù)、控制策略，為實際工程設計提供重要實踐依據(jù)。

風光發(fā)電系統(tǒng)；實時數(shù)字仿真；數(shù)字物理混合仿真

The simulation analysis of wind/photovoltaic power generation system has become an important part of the development of renewable energy generation technologies. The critical technologies for wind/photovoltaic power generation system is studied based on real-time digital simulation, and electrical power architecture and communication architecture are built by using real-time digital simulator as a research tool. Each micro-power single control system model is built based on pure software RTDS and micro-power single physical hybrid simulation model, and simulation is analyzed in steady state and dynamic state. The differences between both properties are studied, the validity of the model is proved, and selectable guidance for two models is provided. Conditions of hybrid simulating analysis are close to the actual situation, which not only can both test and debug control strategy performance on the physical platform, but also can correct control parameters and control strategy in real-time, and it provides an important basis for the actual engineering design.

wind and solar power generation system; real-time digital simulation; hybrid simulation analysis

1007-2322(2016)05-0052-07

A

TM743

國家自然科學基金項目(61273172)；廣東省科技計劃項目(2012B040303005)；廣州市南沙區(qū)科技計劃項目資助(2013P005)

2015-09-06

楊蘋(1967-)，女，教授，博士生導師，研究方向為新能源發(fā)電與控制，E-mail：eppyang@scut.edu.cn；

許志榮(1989-)，男，博士研究生，研究方向為微網(wǎng)運行控制， E-mail：407849739@163.com。