王 慧, 王 毅, 孟建輝, 付 超

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 保定 071003)

?

基于NI PXI和cRIO的微電網(wǎng)仿真控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

王 慧, 王 毅, 孟建輝, 付 超

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 保定 071003)

為開(kāi)展微電網(wǎng)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué),設(shè)計(jì)了一種集開(kāi)發(fā)和測(cè)試于一體的微電網(wǎng)仿真控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)由NI PXI、cRIO和上位機(jī)構(gòu)建而成。PXI部署微電網(wǎng)主電路及非重點(diǎn)關(guān)注單元的就地控制數(shù)字模型；本地cRIO部署重點(diǎn)關(guān)注單元的就地控制模型；遠(yuǎn)程cRIO作為微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器；上位機(jī)則實(shí)現(xiàn)能量管理及人機(jī)交互功能,形成了一套多層次的微電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真及硬件在環(huán)控制系統(tǒng)。

微電網(wǎng)； 實(shí)時(shí)仿真； 分布式發(fā)電； NI PXI； cRIO

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷等有機(jī)整合的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng)。目前,國(guó)內(nèi)很多科研院所建立了微電網(wǎng)物理仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái),但平臺(tái)的建設(shè)周期長(zhǎng)、資金投入大,并且主要是為科研工作而量身定制,不適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的發(fā)展,結(jié)合物理仿真和數(shù)字仿真優(yōu)點(diǎn)的快速控制原型(rapid control prototype,RCP)和硬件在環(huán)仿真(hardware in loop,HIL)技術(shù)應(yīng)用已日漸廣泛,在微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)建設(shè)方面取得了一些成果[1-3]。文獻(xiàn)[4]提出了一種微電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案,微電網(wǎng)主電路與相關(guān)控制模型部署在實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)RTDS,分布式電源控制系統(tǒng)和微電網(wǎng)運(yùn)行與綜合監(jiān)控系統(tǒng)是真實(shí)的控制器,實(shí)現(xiàn)軟件和硬件結(jié)合的閉環(huán)仿真,但該方案采用了價(jià)格昂貴的RTDS和多個(gè)真實(shí)的控制器。

筆者基于美國(guó)NI公司的PXI(PCI eXtensions for instrumentation)和cRIO(compact reconfigurable input/output),設(shè)計(jì)了一種集開(kāi)發(fā)和測(cè)試于一體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),形成了包含本地控制、協(xié)調(diào)控制和能量管理的多層次開(kāi)發(fā)和測(cè)試體系。

1 微電網(wǎng)仿真控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 RCP和HIL概述

RCP技術(shù)是一種實(shí)時(shí)仿真技術(shù),適用于控制算法設(shè)計(jì)階段[5]。如圖1所示,通過(guò)上位機(jī)將控制算法下載到虛擬控制器,實(shí)時(shí)處理器通過(guò)I/O接口與被控對(duì)象實(shí)物相連并進(jìn)行仿真,根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)控制算法進(jìn)行調(diào)整,直到滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。在確定控制算法后,通過(guò)自動(dòng)代碼生成技術(shù)，將程序下載至實(shí)際控制器并形成產(chǎn)品。該開(kāi)發(fā)方法能顯著縮短開(kāi)發(fā)周期并降低開(kāi)發(fā)成本。

圖1 快速控制原型開(kāi)發(fā)體系

HIL仿真系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。當(dāng)已完成控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并已制成樣品,需在閉環(huán)下進(jìn)行詳細(xì)測(cè)試時(shí),往往由于多種原因(如極限測(cè)試、失效測(cè)試或在真實(shí)環(huán)境中測(cè)試費(fèi)用較高)而難以進(jìn)行,于是需要在虛擬控制對(duì)象中仿真物理上并不存在的控制對(duì)象,從而全面驗(yàn)證實(shí)際控制器產(chǎn)品質(zhì)量及控制算法可靠性[6]。

圖2 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

由RCP和HIL系統(tǒng)架構(gòu)可知,它們主要適用于微電網(wǎng)各單元本地控制系統(tǒng),當(dāng)用于微電網(wǎng)層級(jí)控制系統(tǒng)時(shí),主要存在兩個(gè)問(wèn)題:

(1) 采用單個(gè)控制器通過(guò)I/O接口控制微電網(wǎng)各單元,由于單元數(shù)量眾多,需要I/O模塊數(shù)量多并且接線(xiàn)復(fù)雜,會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響,并且這種控制方案不符合實(shí)際情況；

(2) 采用多個(gè)本地控制器通過(guò)I/O接口控制設(shè)備單元,一個(gè)協(xié)調(diào)控制器通過(guò)通信控制各設(shè)備單元,這種分布式控制系統(tǒng)能與現(xiàn)場(chǎng)保持一致,但系統(tǒng)建設(shè)成本過(guò)高,不適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。

微電網(wǎng)控制是一個(gè)多層次的控制體系[7-8],實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將微電網(wǎng)主電路和非重點(diǎn)關(guān)注的就地控制系統(tǒng)部署在虛擬控制對(duì)象,重點(diǎn)關(guān)注的就地控制系統(tǒng)部署在控制器,能節(jié)省控制器資源、降低實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)成本。

本文采用的微電網(wǎng)控制體系分為3層(見(jiàn)圖3)。

第一層部署在PXI和本地cRIO的微電網(wǎng)單元本地控制層,該層就地控制微電網(wǎng)中微電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)載,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵負(fù)荷的低頻、低壓減載等功能。

第二層是部署在遠(yuǎn)程cRIO中的協(xié)調(diào)控制層,該層通過(guò)分析微電網(wǎng)中電壓、頻率等實(shí)時(shí)信息對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,提高電能質(zhì)量。

第三層是部署在上位機(jī)的能量管理層,該層以微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為目標(biāo),根據(jù)功率預(yù)測(cè)、SOC(state of charge)狀態(tài)和負(fù)載情況擬定發(fā)電、儲(chǔ)能和用電最優(yōu)計(jì)劃,對(duì)分布式電源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度、合理分配出力,實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行。

圖3 微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)貼近實(shí)際工程應(yīng)用,PXI和本地cRIO通過(guò)模擬和數(shù)字I/O硬連接,其他設(shè)備通過(guò)TCP/IP進(jìn)行通信[9]。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)試一體化。當(dāng)開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)時(shí),可以在本地控制器、協(xié)調(diào)控制器和上位機(jī)上進(jìn)行快速控制原型開(kāi)發(fā)；當(dāng)測(cè)試微電網(wǎng)實(shí)際控制器質(zhì)量及算法可靠性時(shí),可用實(shí)際控制器替代虛擬控制器進(jìn)行硬件在環(huán)仿真測(cè)試。

2 微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

隨著電網(wǎng)中風(fēng)電裝機(jī)容量的提高,風(fēng)電功率輸送、消納等并網(wǎng)問(wèn)題已逐漸凸顯。將風(fēng)電與高耗能工業(yè)結(jié)合將成為未來(lái)解決風(fēng)電消納和降低工業(yè)生產(chǎn)成本的可行方案之一[10-11]。本文以風(fēng)電海水淡化孤立微電網(wǎng)為例,論述該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)方法。

2.1 微電網(wǎng)建模

在PXI中建立的風(fēng)電海水淡化孤立微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示,包括雙饋風(fēng)電機(jī)組、超級(jí)電容器、蓄電池組、海水淡化裝置、日常負(fù)荷,儲(chǔ)能系統(tǒng)的就地控制單元部署在本地控制器。海水淡化裝置是一種階梯可控負(fù)荷,可通過(guò)逐級(jí)啟停水泵等內(nèi)部設(shè)備調(diào)節(jié)負(fù)荷功率,在建模時(shí)采用背靠背雙PWM全控整流橋+異步電動(dòng)機(jī)+反滲透單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模擬其負(fù)荷特性。

圖4 風(fēng)電海水淡化孤立微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2 微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

微電網(wǎng)中雙饋風(fēng)電機(jī)組是主力分布式電源。為充分利用風(fēng)電資源,風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期處于捕獲最大風(fēng)能運(yùn)行狀態(tài),特殊情況下才限制風(fēng)電出力。超級(jí)電容器采用壓頻控制，平抑較快的功率波動(dòng),蓄電池組采用定功率控制,每隔15 s更新一次功率參考值,平抑較慢的功率波動(dòng)。儲(chǔ)能單元為主控單元,用于維持電網(wǎng)頻率、電壓的穩(wěn)定。海水淡化裝置參與系統(tǒng)功率協(xié)調(diào),保證系統(tǒng)在安全、穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上,盡量減少儲(chǔ)能單元的容量配置。

微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制主要是有功控制,其輸入、輸出及約束條件如圖5所示。

圖5 cRIO協(xié)調(diào)控制器

cRIO實(shí)時(shí)采集風(fēng)電機(jī)組功率PWi、負(fù)荷功率PLi、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)SOCCi和SOCBi等數(shù)據(jù),以負(fù)荷功率PL和儲(chǔ)能荷電狀態(tài)SOC為約束條件,根據(jù)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制算法下發(fā)指令PLo、PBo、Stop和Limit,階梯控制海水淡化裝置的功率、蓄電池組充放電、系統(tǒng)停機(jī)和限制風(fēng)電出力。具體過(guò)程如下[12]:

(1) 當(dāng)PW

(2) 當(dāng)PL

(3) 當(dāng)PL=PW時(shí),系統(tǒng)功率平衡,儲(chǔ)能系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)。

2.3 微電網(wǎng)能量管理

微電網(wǎng)能量管理功能在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。針對(duì)包含風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)及海水淡化裝置的獨(dú)立微電網(wǎng)系統(tǒng),采用了基于風(fēng)速預(yù)測(cè)的微電網(wǎng)實(shí)時(shí)能量管理調(diào)度策略。該策略根據(jù)風(fēng)速預(yù)測(cè)結(jié)果和儲(chǔ)能系統(tǒng)狀態(tài),分析蓄電池組、風(fēng)電機(jī)組的損耗成本和海水淡化收益,制訂海水淡化負(fù)荷的投切計(jì)劃和風(fēng)機(jī)輸出功率的限制指令,從而在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上,有效提高系統(tǒng)的總體收益。

3 實(shí)際運(yùn)行效果

在新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建立了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。微電網(wǎng)主電路及非重點(diǎn)關(guān)注單元就地控制的數(shù)學(xué)模型部署在PXI；重點(diǎn)關(guān)注單元就地控制程序部署在本地cRIO；協(xié)調(diào)控制程序部署在遠(yuǎn)程cRIO；能量管理系統(tǒng)部署在上位機(jī)。各設(shè)備間硬線(xiàn)連接較少,使得接線(xiàn)變得相對(duì)簡(jiǎn)單。

圖6 微電網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為方便用戶(hù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),上位機(jī)人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)了系統(tǒng)配置、實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)曲線(xiàn)、事件記錄和歷史數(shù)據(jù)等5個(gè)功能模塊。

實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖7所示。該界面包括實(shí)驗(yàn)控制、統(tǒng)計(jì)信息、風(fēng)速預(yù)測(cè)和系統(tǒng)拓?fù)?個(gè)部分,其中系統(tǒng)拓?fù)洳糠诛@示系統(tǒng)頻率、電壓、風(fēng)電出力、儲(chǔ)能出力、負(fù)荷等信息。為了提高程序的通用性,當(dāng)仿真模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化時(shí),可以在界面上靈活地增加或刪除元件,并實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)自動(dòng)映射。

圖7 上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

實(shí)時(shí)曲線(xiàn)界面有導(dǎo)出數(shù)據(jù)的按鍵,能導(dǎo)出協(xié)調(diào)控制下風(fēng)電機(jī)組、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷的功率、荷電狀態(tài)等波形數(shù)據(jù)。

圖8為風(fēng)速降低時(shí)導(dǎo)出的波形:初始風(fēng)速6 m/s,風(fēng)電功率32.5 kW,5 s時(shí)風(fēng)速降為4 m/s,風(fēng)電機(jī)組出力快速減小,風(fēng)電功率已經(jīng)不能滿(mǎn)足負(fù)荷要求。此時(shí),超級(jí)電容器在恒壓恒頻控制策略下開(kāi)始放電,SOCC下降的同時(shí)減負(fù)荷運(yùn)行,以緩解超級(jí)電容的壓力。由于風(fēng)電機(jī)組出力繼續(xù)降低,超級(jí)電容器持續(xù)放電(PC>0),導(dǎo)致SOCC跌落至40%左右。15 s時(shí),蓄電池組根據(jù)此時(shí)風(fēng)電機(jī)組與負(fù)荷間的功率差額,更新功率參考值,由-12 kW變?yōu)?4 kW,分擔(dān)了超級(jí)電容器的調(diào)節(jié)壓力；PC快速恢復(fù)至接近于0,SOCC緩慢升高。

圖8 風(fēng)速降低時(shí)功率和荷電狀態(tài)變化趨勢(shì)

圖9為風(fēng)速增加時(shí)導(dǎo)出的波形:初始風(fēng)速5 m/s,風(fēng)電功率大致能滿(mǎn)足負(fù)荷要求,5 s時(shí)風(fēng)速增加,風(fēng)電機(jī)組出力快速抬升,風(fēng)電功率能滿(mǎn)足負(fù)荷要求并且富余。此時(shí),超級(jí)電容器充電SOCC上升的同時(shí)增負(fù)荷運(yùn)行。由于風(fēng)電機(jī)組出力繼續(xù)增加,超級(jí)電容器持續(xù)充電(PC<0),SOCC升高至80%左右。15 s時(shí),蓄電池組更新功率參考值,由2 kW變?yōu)?9 kW,避免了風(fēng)電機(jī)組對(duì)超級(jí)電容器繼續(xù)充電；PC快速升高,并接近于0,SOCC緩慢下降。

實(shí)際運(yùn)行效果表明,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,接線(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、界面友好,可以快速開(kāi)發(fā)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)原型,并測(cè)試實(shí)際微電網(wǎng)控制器質(zhì)量及算法可靠性,實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果良好。

4 結(jié)語(yǔ)

基于NI PXI和cRIO的微電網(wǎng)仿真控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái),硬件由PXI、cRIO和上位機(jī)組成,軟件對(duì)應(yīng)微電網(wǎng)數(shù)字模型、本地控制器、協(xié)調(diào)控制器和能量管理系統(tǒng)。實(shí)際運(yùn)行與控制實(shí)例表明,該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線(xiàn)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、界面友好,是一種集開(kāi)發(fā)和測(cè)試于一體的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),為學(xué)生深入學(xué)習(xí)微電網(wǎng)控制技術(shù)提供了簡(jiǎn)便、靈活的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

References)

[1] 朱燕紅,史美萍,謝海斌.dSPACE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(11):125-127.

[2] 楊達(dá)亮,盧子廣,杭乃善,等.電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)改革與實(shí)踐創(chuàng)新平臺(tái)建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(8):171-174.

[3] 李光輝,何國(guó)慶,郝木凱,等.基于NI-PXI微電網(wǎng)多模式數(shù)模混合仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015,43(20):107-113.

[4] 劉一欣,郭力,李霞林,等.基于實(shí)時(shí)數(shù)字仿真的微電網(wǎng)數(shù)?；旌戏抡鎸?shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014,29(2):82-92.

[5] 泮斌峰.導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)快速原型研究[D].西安:西北工業(yè)大學(xué),2007.

[6] 齊鯤鵬,隆武強(qiáng),陳雷.硬件在環(huán)仿真在汽車(chē)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)[J].內(nèi)燃機(jī),2016(5):24-27.

[7] 黎金英,艾欣,鄧玉輝.微電網(wǎng)的分層控制研究[J].現(xiàn)代電力,2014,31(5):1-6.

[8] 劉偉.孤島式微電網(wǎng)控制技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2014.

[9] 曹雪峰.基于虛擬實(shí)驗(yàn)的TCP原理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(7):90-93.

[10] 張祥宇,王慧,樊世通,等.風(fēng)電海水淡化孤立微電網(wǎng)的運(yùn)行與控制[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015,43(4):25-31.

[11] 馬林東,葛智平,張世才,等.基于高耗能企業(yè)參與電網(wǎng)內(nèi)風(fēng)電消納的主動(dòng)調(diào)峰技術(shù)[J].電力建設(shè),2013,34(10):102-106.

[12] 付超,廖仰凱,樊世通,等.風(fēng)儲(chǔ)海水淡化孤立微電網(wǎng)運(yùn)行與控制實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)研究[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015,43(14):41-47.

Design of micro-gridsimulation and control experimental platform based on NI PXI and cRIO

Wang Hui, Wang Yi, Meng Jianhui, Fu Chao

(State Key Laboratory of Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electrical Power University, Baoding 071003, China)

In order to carry out the experimental teaching of micro-gridcontrol technology,an experimental platform for micro-grid virtual control is designed,which integrates the development and testing as a unity.This platform is composed of NI PXI,cRIO and host computer. The model of the micro-grid main circuit and the on-spot controlling numeral model of unimportant non-focusing units are deployed into PXI. Theon-spot control models of the important focusing units are deployed into the local cRIO, the remote cRIO device works as a coordinated controller and the functions of energy management and human-computer interaction are realized in the host computer, forming the loop control system with the multi-levels, real-time simulation and hardware of the micro-grid.

micro-grid; real-time simulation; distributed generation; NI PXI; cRIO

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.034

2016-05-12

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目(13MS76)

王慧(1982—),男,湖北潛江,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用.

E-mail：wanghui@ncepu.edu.cn

TM614

A

1002-4956(2016)11-0139-04