閆桂杭, 郝正航, 陳 卓, 徐玉韜, 張宏宇

(1. 貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025；2. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院, 貴州 貴陽 550002)

數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺研發(fā)及應(yīng)用

閆桂杭1, 郝正航1, 陳 卓1, 徐玉韜2, 張宏宇1

(1. 貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025；2. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院, 貴州 貴陽 550002)

針對電氣工程、自動化等專業(yè)的教學(xué)需求開發(fā)創(chuàng)新性實驗,以實時仿真器聯(lián)合開放變流系統(tǒng)設(shè)計了數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺。利用實際光伏并網(wǎng)發(fā)生局部遮擋實驗,例證了該實驗平臺的正確性。該實驗平臺采用模塊化設(shè)計,可接入實際物理設(shè)備構(gòu)成完整的閉環(huán)系統(tǒng),具有開放程度高、通用性和實時性良好、開發(fā)和擴(kuò)展靈活的特點,有利于培養(yǎng)學(xué)生和開發(fā)者獨立思考、創(chuàng)新研究和動手實踐的能力。

實時仿真； 開放變流系統(tǒng)； 半實物仿真

目前,許多電氣系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)、信息與電子系統(tǒng)的實驗仍然基于軟件仿真或物理模擬兩種方法。完全基于實物搭建的物理模擬缺少改變模型參數(shù)的靈活性,限制了自由想象的空間[1-3]；而軟件仿真只用于學(xué)習(xí)和檢驗基本原理和算法,無法考慮樣機(jī)硬件系統(tǒng)如何實現(xiàn),也無法模擬對象運行的真實場景[4-7]。

半實物仿真技術(shù)結(jié)合了軟件仿真和物理模擬的優(yōu)勢,改進(jìn)了傳統(tǒng)實驗教學(xué)方式和科研手段,在常規(guī)實驗和創(chuàng)新實驗中同時引入實時軟、硬件設(shè)備,同步運行環(huán)境,滿足現(xiàn)代控制系統(tǒng)、電氣與電子系統(tǒng)的高效、精確、快速的設(shè)計要求,有利于激發(fā)學(xué)生的靈感和創(chuàng)新意識。筆者結(jié)合科研實踐和教學(xué)實際,以培養(yǎng)研究型、創(chuàng)新性、能夠解決復(fù)雜工程問題的高級技術(shù)人才為目的,研究開發(fā)了數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺。

1 實驗平臺整體設(shè)計目標(biāo)

數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺的設(shè)計目標(biāo)是滿足智能電網(wǎng)和自動控制系統(tǒng)的實驗教學(xué)及科研創(chuàng)新項目實驗與驗證。該平臺集成了實時仿真器和開放變流系統(tǒng)，功能上達(dá)到如下要求:

(1) 提供開放式基本模塊庫,涵蓋電力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的基本元件,并提供基礎(chǔ)教學(xué)案例,方便實驗者和開發(fā)者自主修改模型參數(shù)、搭建系統(tǒng)模型,適應(yīng)實驗室研發(fā)條件；

(2) 提供多組通用型功率接口,可同時接入多種交、直流電源及負(fù)載,用戶可自主設(shè)計物理模擬系統(tǒng),自由搭建構(gòu)思好的硬件電路,為用戶高效研發(fā)和擴(kuò)展性實驗提供想象空間；

(3) 要求接口裝置功率能夠雙向流通,物理模擬對象既可能是發(fā)電設(shè)備,也可能是用電負(fù)載,滿足半實物仿真技術(shù)要求,適應(yīng)開放型研究和測試性實驗?zāi)Ｊ剑?/p>

(4) 提供完整的基礎(chǔ)硬件，具有測量模塊,可以接收物理仿真系統(tǒng)重要節(jié)點的反饋變量,實時監(jiān)測物理系統(tǒng)動態(tài)特性；有足夠的輸入輸出通道用于驅(qū)動接口裝置和進(jìn)行協(xié)調(diào)控制,方便使用者根據(jù)節(jié)點參數(shù)變量進(jìn)行各個環(huán)節(jié)的實驗；

(5) 實驗平臺通用性好,不局限于某種或某類控制對象和實驗要求,能夠適用于智能電網(wǎng)、新能源發(fā)電和自動控制系統(tǒng)的基本實驗。

2 實驗平臺整體方案設(shè)計

數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺由上位機(jī)、通用實時仿真器和開放變流系統(tǒng)3部分組成。

2.1 上位機(jī)

上位機(jī)是具備以太網(wǎng)通信條件的普通PC,能夠運行Matlab/Simulink軟件,用于控制系統(tǒng)和電力網(wǎng)絡(luò)建模。上位機(jī)通過以太網(wǎng)口與通用實時仿真器通信,傳遞控制指令信息,接收系統(tǒng)反饋變量和監(jiān)控數(shù)據(jù),實時監(jiān)測并控制實驗運行狀態(tài)。

2.2 通用實時仿真器

通用實時仿真器(UREP)是自主研發(fā)的基于模型化的工程設(shè)計應(yīng)用平臺,它主要包含多核處理器仿真主板、高速通信單元、智能I/O接口單元、協(xié)調(diào)優(yōu)化硬件解算器、配套監(jiān)控軟件平臺和實時操作系統(tǒng),是實驗平臺的核心裝置之一。使用者可以直接利用Matlab/Simulink建立動態(tài)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,經(jīng)代碼轉(zhuǎn)換為C代碼后,編譯下載到實時仿真器內(nèi)運行,進(jìn)行實時數(shù)字仿真、半實物仿真及控制、測量與系統(tǒng)控制等。UREP具有快速控制原型(RCP)、功率級快速控制原型(PRCP)、硬件在環(huán)(HIL)和功率級硬件在環(huán)(PHIL)等4項基本功能,仿真步長最短可達(dá)30 μs,且可與開放變流系統(tǒng)無縫連接,構(gòu)成完整的閉環(huán)系統(tǒng),完全能夠滿足半實物仿真實驗的基本需求[8]。

用戶利用Simulink搭建所構(gòu)想的控制系統(tǒng)模型,可快速編譯下載到仿真器內(nèi)運行,省去繁瑣的嵌入式開發(fā)過程。配合實驗平臺監(jiān)控系統(tǒng),可根據(jù)實驗結(jié)果校驗實驗流程和仿真模型參數(shù),發(fā)現(xiàn)原設(shè)計存在的問題并反復(fù)測試,最終得到合理、可行的仿真實驗系統(tǒng)。

2.3 開放變流系統(tǒng)

開放變流系統(tǒng)主要包括控制器、物理仿真接口裝置?？刂破饔蒔WM控制器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器、輸入/輸出模塊構(gòu)成；物理仿真接口裝置由模擬量傳輸模塊、功率放大器、電壓互感器、電流互感器、變流器、濾波電路組成。由于半實物仿真的物理側(cè)對象可以是各類交、直流電源或負(fù)載,因此接口裝置要求功率能夠雙向流通,故選用電壓可控的四象限變流器作為該實驗平臺的硬件接口裝置。該變流系統(tǒng)適應(yīng)使用者的需求,既可以接入交直流電源,也可以接入交直流負(fù)載；變流器之間既可以相互獨立,又可以協(xié)同配合。

采用智能功率模塊(intelligent power module,IPM)將驅(qū)動控制、電路保護(hù)功能集成于IGBT功率器件,各橋臂對應(yīng)的開關(guān)控制信號由PWM控制器提供。開放變流系統(tǒng)完全面向使用者,可根據(jù)實驗設(shè)計需求,自由搭建物理模擬系統(tǒng)。

3 數(shù)字-物理混合仿真

3.1 基本原理

數(shù)字-物理混合仿真結(jié)合了軟件仿真和物理模擬的優(yōu)勢,通過在數(shù)字仿真系統(tǒng)中模擬控制電路或大規(guī)模電力系統(tǒng),而在物理系統(tǒng)中接入硬件裝置模擬被控對象,將數(shù)字仿真和物理模擬相統(tǒng)一。文獻(xiàn)[9]分別從數(shù)學(xué)原理和電路原理的角度進(jìn)行分析,得出實現(xiàn)數(shù)字模型和物理模型互聯(lián)的關(guān)鍵在于接口算法的結(jié)論。依據(jù)替代定理,數(shù)字模型和物理模型均可將對方端口網(wǎng)絡(luò)視為模型的一部分。通過接口裝置,將數(shù)字模型中端口電壓量(或電流量)用受控電壓源(或電流源)替代物理模型端口電壓(或電流),同時將物理模型中端口電流量(或電壓量)用受控電流源(或電壓源)接入數(shù)字模型端口,從而可實現(xiàn)離散條件下的數(shù)字仿真系統(tǒng)和實時條件下的物理模擬系統(tǒng)的組合與同步。

3.2 接口算法

實時仿真器聯(lián)合開放變流系統(tǒng)實驗平臺接口算法采用基于電路中替代定理的電壓型ITM(理想變壓器模型)算法,接口等效電路如圖1所示。

圖1 實驗平臺數(shù)字-物理接口等效電路

圖1中,R1為受控電流源的并聯(lián)電阻。在數(shù)字側(cè)接口處采用受控電流源來等效模擬物理系統(tǒng),物理側(cè)使用受控電壓源的形式等效模擬數(shù)字系統(tǒng)。具體方法為:通過電流互感器,實測物理系統(tǒng)電流經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后得到反饋電流,該電流作為數(shù)字側(cè)接口受控電流源的控制電流；同時,采集數(shù)字側(cè)接口電壓標(biāo)幺值為參考電壓,經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和PWM控制器脈寬調(diào)制,以開放變流系統(tǒng)中一組四象限變流器為功率接口進(jìn)行功率放大,作為物理側(cè)接口實際電壓。

電壓型ITM算法原理簡單,易于實現(xiàn),但仍存在接口穩(wěn)定性和仿真精度欠佳的問題[9-11]。接口電路中數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換具有一定的延時,即TADC、TDAC；以及功率接口存在的延時和帶寬限制TP是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素。為分析接口電路特征,可將各環(huán)節(jié)總延時近似等效為一個延時環(huán)節(jié)[11-13],得到該算法的等效開環(huán)傳遞函數(shù)

(1)

其中,TVSC=TADCTDACTP=e-s td為總延時環(huán)節(jié),td為延遲時間；假設(shè)Z1=R1+L1；Z2=R2+L2。

根據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定判據(jù),電壓型ITM算法穩(wěn)定的充要條件為

(2)

由式(2)可以看出：在接口電路中,數(shù)字側(cè)等值阻抗和物理側(cè)等效阻抗的大小是決定仿真穩(wěn)定性的主要因素,且當(dāng)L2>L1時系統(tǒng)穩(wěn)定[13]。所以,為了提高實驗平臺的仿真穩(wěn)定性,采用文獻(xiàn)[13]中提出的增加電感(HIA)法,即在物理側(cè)串聯(lián)一個合適的電感,來提高功率接口的穩(wěn)定性。串聯(lián)電感值的設(shè)計是在盡量小地影響仿真精確性的前提下,大于系統(tǒng)臨界附加值,且使用者可根據(jù)實驗系統(tǒng)自行串聯(lián)合適的電抗器。

4 實驗平臺實用案例

4.1 基本結(jié)構(gòu)

圖2為數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通用實時仿真器與快速控制器通過以太網(wǎng)通信模塊互連,后者又與開放變流系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)RS232-DB25串口互連,形成集軟件控制、硬件接入、監(jiān)測反饋于一體的閉環(huán)控制系統(tǒng)。開放變流系統(tǒng)中含多組完整的變流裝置,直流側(cè)可接入直流電源或負(fù)載,交流側(cè)納入分布式電源及各種被控裝置,甚至可直接接入電網(wǎng)。

4.2 混合仿真分析

通過光伏并網(wǎng)后發(fā)生局部遮擋實驗可以觀測并網(wǎng)電流的動態(tài)變化,驗證本實驗平臺的正確性。利用實時仿真器聯(lián)合開放變流系統(tǒng)實驗平臺,搭建了光伏并網(wǎng)的數(shù)字-物理混合仿真實驗系統(tǒng)。在實驗平臺的基礎(chǔ)上,主要完成:

(1) 利用Simulink建立電網(wǎng)數(shù)字仿真模型,搭建光伏逆變器控制模型和接口電壓功率放大器控制模型；

(2) 用物理仿真接口中的一組變流器通過直流電壓變換器與光伏和儲能裝置并聯(lián),作為光伏逆變器；

(3) 用物理仿真接口中另一組變流器通過交流電壓變換器與電壓控制信號并聯(lián),作為數(shù)字系統(tǒng)接口電壓參考信號的功率放大器；

(4) 在2組變流器交流側(cè)之間串聯(lián)接入模擬線路阻抗和并網(wǎng)開關(guān)。

如圖3所示,采用通用實時仿真器運行大電網(wǎng)數(shù)字仿真模型,采集數(shù)字系統(tǒng)光伏并網(wǎng)點的三相電壓，通過接口電壓控制電路,經(jīng)控制器將脈寬調(diào)制為PWM控制信號,傳送到變流器實現(xiàn)接口電壓的功率放大,實時同步接口電壓變化；同時通用實時仿真器運行光伏逆變控制程序,控制光伏逆變。

圖3 光伏并網(wǎng)數(shù)字-物理混合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖4所示,在光伏逆變控制程序中,通過鎖相環(huán)模塊(phase locked loop,PLL)采集數(shù)字接口電壓的相位信息wt,將其作為并網(wǎng)前光伏逆變的初始相位。這樣,在并網(wǎng)前,經(jīng)功率放大的接口電壓和光伏逆變電壓滿足每相間電壓幅值、相位、頻率一致,可直接并網(wǎng),且并網(wǎng)時相間壓差小于1%。

圖4 光伏逆變器控制策略

在相位控制中疊加可調(diào)的功角偏量thera_add,并網(wǎng)后以新的相位信息wt+thera_add控制光伏陣列并網(wǎng)功率輸出,用于手動跟蹤光伏并網(wǎng)的最大功率點。實驗發(fā)生在2017-05-02T15:30,地點位于貴陽花溪地區(qū)。通過調(diào)控功角偏量thera_add由15°到20°再到25°變化,觀測并網(wǎng)電流變化趨勢如圖5(a)所示。當(dāng)thera_add=25°時,并網(wǎng)電流穩(wěn)態(tài)波形如圖5(b)所示,且諧波比小于2.4%。

圖5 手動調(diào)節(jié)功角偏量實驗下,并網(wǎng)電流波形

設(shè)計光伏電池板局部遮擋實驗,在光伏并網(wǎng)后,光伏逆變器以25°功角差向電網(wǎng)輸送功率,突然遮擋光伏電池板的1/4板面,并網(wǎng)電流發(fā)生如圖6所示變化:

從圖6可以看出,光伏并網(wǎng)之后,當(dāng)光伏電池板發(fā)生局部陰影遮擋時,并網(wǎng)電流幅值明顯增大。

圖6 局部陰影實驗下,并網(wǎng)電流波形

在數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺的基礎(chǔ)上搭建光伏并網(wǎng)數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺,通過幾組實驗結(jié)果證明了混合仿真平臺的正確性,也驗證了實時仿真器聯(lián)合開放變流系統(tǒng)實驗平臺具有通用性且操作簡單、高效可靠，利于使用者開發(fā)創(chuàng)新性實驗的特點。

5 結(jié)語

數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺的優(yōu)勢在于實現(xiàn)了和Matlab/Simulink的無縫連接,仿真系統(tǒng)模型庫元件豐富，且支持用戶自由建模,適用于各種電網(wǎng)形態(tài)以及控制系統(tǒng)建模,省去了傳統(tǒng)嵌入式軟件開發(fā)過程。通用實時仿真器具有多個內(nèi)核,計算能力強(qiáng)大、I/O通道充裕,支持各種電網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的現(xiàn)代控制技術(shù)的實驗研究；與開放變流系統(tǒng)無縫連接,可接入實際實驗設(shè)備，構(gòu)成完整的閉環(huán)系統(tǒng),其通用性、靈活性優(yōu)于常規(guī)動模系統(tǒng),可以在各類電網(wǎng)環(huán)境下研究新能源以及電力電子智能裝備的運行特性。該平臺可以完成在實際現(xiàn)場運行難以實現(xiàn)的擾動實驗,為物理裝置接入的電力系統(tǒng)動態(tài)特性研究提供了良好的基礎(chǔ)條件和驗證環(huán)境。

數(shù)字-物理混合仿真實驗平臺采用模塊化設(shè)計,具有開放程度高、通用實時性良好、開發(fā)和擴(kuò)展靈活的特點,有利于培養(yǎng)學(xué)生的科研能力,方便師生在電氣領(lǐng)域開展自主實驗和創(chuàng)新研究。

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Development and application of digital-physical hybrid simulation experimental platform

Yan Guihang1, Hao Zhenghang1, Chen Zhuo1, Xu Yutao2, Zhang Hongyu1

(1. Electrical Engineering College, Guizhou University,Guiyang 550025, China；2. Electric Power Research Institute, Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China)

In view of the teaching requirements forthe electrical engineering, automation and other related specialities, an innovative experiment is developed, and a digital-physical hybrid simulation experimental platform is designed by a real-time simulator combined with an open converting system. By using the experiment of the actual photovoltaicgrid for the occurrence of the partial occlusion, the correctness of the experimental platform is illustrated.The experimental platform adopts the modular design which can be connected with the actual physical equipment to form a complete closed loop system. It has the characteristics of the high openness, good universality,good real-time performance, and flexible development and expansion. It can help students and developers to train their abilities for the independent thinking, innovative research and hands-on practice.

real-time simulation; open converting system; hardware-in-the-loop simulation

2017-05-10

國家自然科學(xué)基金項目(51467003,51567005)

閆桂杭(1992—),男,山東濟(jì)寧, 碩士研究生,主要研究方向為電力系統(tǒng)及其自動化

E-mail：1119533665@qq.com

郝正航(1972—),男,河南開封,博士,教授,博士生導(dǎo)師,主要研究方向為電力系統(tǒng)穩(wěn)定、風(fēng)力發(fā)電.

E-mail：haozhenghang@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.033

TM743

A

1002-4956(2017)12-0138-04