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        基于Scilab的網(wǎng)側(cè)變流器建模與仿真方法研究

        2022-11-06 11:41:04王印松賈思宇劉佳微
        山東電力技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:變流器開源元件

        王印松,賈思宇,劉佳微

        (華北電力大學(xué)控制與計算機(jī)工程學(xué)院,河北 保定 071003 )

        0 引言

        建模仿真是研究解決電力系統(tǒng)問題的重要方法,所以選用何種軟件進(jìn)行建模和仿真是面臨的主要問題。

        近幾年國內(nèi)外主流的電力系統(tǒng)仿真平臺有電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD 以及MATLAB 中所包含的可視化仿真平臺Simulink 等。在眾多仿真軟件中,MATLAB/Simulink 是當(dāng)前高校和科研機(jī)構(gòu)使用較多的仿真軟件,但存在以下不足:MATLAB 使用成本高,作為一款商業(yè)軟件,大部分高校和實(shí)驗(yàn)室沒有財力購買正版的MATLAB;MATLAB 源碼封閉,Simulink 模塊庫中元件模型的內(nèi)部代碼是嚴(yán)格保密的,用戶只能通過固定界面來定義模型內(nèi)部參數(shù),查閱和改變元件內(nèi)部代碼是禁止的,所以完善和維護(hù)模型的后期工作是比較困難的[1]。

        開源軟件Scilab 越來越受到國內(nèi)科研人員的關(guān)注。陳京元、甘光勇等人利用Scilab 開發(fā)出自適應(yīng)光學(xué)建模和仿真所需要的工具箱,并介紹了基本結(jié)構(gòu)及可用功能模塊,同時給出幾個簡單應(yīng)用實(shí)例[2];董興華團(tuán)隊利用Scilab 開發(fā)出Scicom 通信仿真的工具箱[3];李勇波等人在Linux 環(huán)境下利用開源軟件Scilab 建立數(shù)學(xué)仿真模型,進(jìn)行了某型探空火箭的半實(shí)物仿真試驗(yàn)[4]。

        本文介紹一種在開源軟件Scilab/Xcos 進(jìn)行電力元件開發(fā)的新方法,可以避免上述MATLAB 使用的不足。在Xcos 框圖編輯器中進(jìn)行電力系統(tǒng)元件的開發(fā),建立網(wǎng)側(cè)變流器及其控制系統(tǒng)的模型,并且驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性。

        1 Scilab/Xcos介紹

        Scilab(Science Laboratory)是由INRIA 開發(fā)的一款開源科學(xué)計算軟件,在21 世紀(jì)初期發(fā)布了Scilab的第一個版本,后面INRIA 成立了專門的協(xié)會來對軟件進(jìn)行后續(xù)的開發(fā)和維護(hù),Scilab發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟[5]。Scilab 的功能與用法跟MATLAB 相似,但它是免費(fèi)的開源科學(xué)計算軟件,Scilab已經(jīng)可以滿足大部分高校師生和科研人員的使用,能夠?qū)崿F(xiàn)信號的分析與處理、矩陣的運(yùn)算、圖像顯示與處理,數(shù)學(xué)建模、深度學(xué)習(xí)等功能。

        Xcos是一個可用于創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)模型的框圖編輯器,其提供了一個可用于建模的模塊庫。Scicos 提供三種用戶自定義模塊:超級模塊功能、Scifunc 模塊、使用C或Scilab程序動態(tài)鏈接加載到Scilab,分別對應(yīng)Simulink 中的subsystem、MATLAB function 以及S function 模塊,但在Xcos 還支持面向物理模型的非因果建模語言Modelica,可以輕松地描述不同類型的工作組件(例如彈簧、電阻、離合器等)工作特性。

        Scilab/Xcos 使用方便,是目前可以替代MATLAB/Simulink 等對電力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)建模仿真商業(yè)軟件的開源軟件。

        2 網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略

        直流側(cè)電源通過背靠背結(jié)構(gòu)的全功率變流器并網(wǎng)[6-9],網(wǎng)側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

        圖1 網(wǎng)側(cè)變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        dq坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)變流器數(shù)學(xué)模型方程如式(1)所示。

        式中:ed、eq、id、iq分別為電網(wǎng)側(cè)電壓和電流的d、q軸分量;ud、uq分別為變流器側(cè)的電壓d、q軸分量;ω為電網(wǎng)同步角頻率。

        2.1 前饋解耦雙閉環(huán)PI控制策略

        網(wǎng)側(cè)變流器承擔(dān)著電能并網(wǎng)的任務(wù)[10],為了使并網(wǎng)電流相位與電網(wǎng)電壓相位相關(guān),引入鎖相環(huán)來獲取電網(wǎng)電壓的相位[11-13]。由式(1)分析得知d、q軸電流的大小與電壓ud、uq和耦合項ωLid、ωLiq都有關(guān)系,想要同時消除耦合項的影響,網(wǎng)側(cè)變流器的控制策略采用的是鎖相環(huán)結(jié)合前饋解耦雙閉環(huán)控制的方法[14-16]。如式(2)所示。

        即將PI 調(diào)節(jié)器引入id和iq的控制之中就可以得到,同時為了得到控制電壓量ud和uq,將式(1)中的兩個耦合項ωLid和ωLiq加入中,再進(jìn)行dq到αβ(兩項靜止)坐標(biāo)系變換,之后采用SVPWM 調(diào)制方法來控制逆變器完成直流到交流操作。網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng),如圖2所示。

        圖2 網(wǎng)側(cè)變流器控制系統(tǒng)

        2.2 SVPWM調(diào)制方式

        空間矢量脈寬調(diào)制方式(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM)主要有電壓利用率高、動態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[17]。在空間和時間上的正弦性是SVPWM 的一個顯著特點(diǎn),其經(jīng)常應(yīng)用在整流器和逆變器的控制系統(tǒng)中。SVPWM 調(diào)制方式主要有四個步驟:電壓矢量扇區(qū)的確定、電壓矢量作用時間的計算、比較時間的確定、PWM 波形的產(chǎn)生。搭建好的SVPWM模型如圖3所示。

        圖3 SVPWM仿真模型

        3 基于Scilab/Xcos的元件開發(fā)

        Xcos 以模塊庫的形式提供了一些常用模塊,但其種類并不像Simulink 模塊庫那么全面。Xcos 中的模塊對于簡單的控制系統(tǒng)設(shè)計、信號處理分析是夠用的,但是面對一些復(fù)雜的控制系統(tǒng)搭建或者電力、熱力其他領(lǐng)域的建模時就需要開發(fā)某些特定功能的元件。

        3.1 Scilab/Xcos元件開發(fā)方法

        在Scilab/Xcos 中,每一個元件都是由接口函數(shù)(Interface_function)和計算函數(shù)(Computational_function)組成。元件的外觀、顏色、接口的類型和輸入輸出接口的個數(shù)、變量的初始值等信息都是由接口函數(shù)確定的。元件里面輸入和輸出變量之間的邏輯關(guān)系是由計算函數(shù)決定的。常用元件開發(fā)模塊及其功能介紹見表1。

        表1 元件開發(fā)模塊

        Xcos 中的元件開發(fā)過程,可以根據(jù)模型應(yīng)用的場合和復(fù)雜程度,采取不同的實(shí)現(xiàn)方法,Xcos中有三種元件開發(fā)的方法。

        方法一通過從模塊庫中復(fù)制和粘貼模塊到超級模塊編輯器窗口,再相互連接即可,設(shè)置好輸入輸出,然后使用超級模塊(Super block)封裝,在一個超級模塊內(nèi)部也可以嵌套多個超級模塊。

        方法二是利用模塊庫自定義函數(shù)頁面里的C block或者M(jìn)odelica block 模塊來開發(fā)新的元件,模塊的參數(shù)設(shè)置頁面相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了新元件的接口函數(shù)功能,確定好參數(shù)后進(jìn)入模塊的計算函數(shù)編寫窗口,根據(jù)元件功能使用C 語言或者M(jìn)odelica 語言編寫函數(shù)。

        方法三從接口函數(shù)到計算函數(shù)完全由用戶自己開發(fā)定義。使用Scilab 語言編寫接口函數(shù),計算函數(shù)根據(jù)元件功能需求選擇合適的語言編寫。

        3.2 電力系統(tǒng)元件的開發(fā)

        控制系統(tǒng)中的元件一般使用C 語言模塊來開發(fā),控制系統(tǒng)的元件有明確的輸入與輸出接口,在Scilab中這樣的接口定義為顯式接口,而電力系統(tǒng)元件的接口大多為隱式接口(兩側(cè)的端口沒有明確的輸入輸出標(biāo)志,端口之間滿足基爾霍夫電流電壓定律這樣的約束條件),帶有隱式接口元件的開發(fā)就需要用到Modelica block模塊,Modelica語言是一種非因果(通常用于創(chuàng)建面向原理的物理模型設(shè)計)建模語言,非常適合電力、機(jī)械、流體、熱學(xué)等系統(tǒng)的建模。

        下面以電力系統(tǒng)中的可控電壓源和IGBT 為例進(jìn)行新元件的開發(fā)。

        接口函數(shù)的定義。明確所建立元件的接口,可控電壓源的接口,兩個隱式接口和一個顯式接口,兩個隱式接口就是電壓源的兩端,顯式接口用來接收電壓的數(shù)字信號,輸入輸出端口的類型中“E”代表顯式接口,“I”代表隱式接口,由于電壓信號從外部給定,所以不需要定義其他模塊參數(shù),具體端口設(shè)置如圖4所示,確定即可進(jìn)入計算函數(shù)編輯界面。

        圖4 Modelica block參數(shù)設(shè)置

        定義好了新元件的接口函數(shù),可控電壓源元件的計算函數(shù)示例如下。

        還建立了可控電流源、三相變壓器等元件,具體過程不再描述,建立好的元件可以直接添加進(jìn)Xcos的模塊庫中,以便下次使用。

        4 網(wǎng)側(cè)變流器的建模與分析

        在Scilab/Xcos 平臺上搭建的網(wǎng)側(cè)變流器及其控制模塊仿真模型如圖5 所示,其中網(wǎng)側(cè)變流器的參數(shù)見表2。

        圖5 網(wǎng)側(cè)變流器仿真模型

        表2 網(wǎng)側(cè)變流器主要參數(shù)

        4.1 網(wǎng)側(cè)變流器的仿真結(jié)果與分析

        根據(jù)建立的模型可得變流器在逆變狀態(tài)下仿真結(jié)果。為了便于觀察,下面圖像中的變量都經(jīng)過了標(biāo)幺化處理,圖6 為并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位圖,圖7為并網(wǎng)電流仿真波形。

        圖6 并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓相位

        圖7 并網(wǎng)電流仿真波形

        從仿真結(jié)果可以看出網(wǎng)側(cè)變流器實(shí)現(xiàn)將直流電逆變成交流電的功能,同時實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻反相功能,驗(yàn)證了所開發(fā)元件和建立鎖相環(huán)模型的正確性。

        4.2 機(jī)側(cè)擾動時直流側(cè)電壓信號仿真結(jié)果與分析

        可控電壓源給定一個變化的擾動信號來模擬機(jī)側(cè)的擾動,機(jī)側(cè)的串聯(lián)電阻值為0.1 Ω,擾動信號在0.07 s 由570 V 躍升到800 V,再經(jīng)過0.04 s 回到570 V。仿真結(jié)果如圖8所示。

        圖8 擾動時的直流側(cè)電壓

        從圖8 中的仿真結(jié)果可以看出,在三相平衡對稱電網(wǎng)電壓下機(jī)側(cè)電壓發(fā)生變化時,直流側(cè)電壓U可以很好跟蹤系統(tǒng)給定及抵抗外界的干擾。驗(yàn)證了控制系統(tǒng)模型搭建的正確性。

        5 結(jié)論

        本文提出在Scilab/Xcos 平臺上將建模語言Modelica引用到網(wǎng)側(cè)變流器的元件開發(fā)中,擴(kuò)展了模塊庫中電力系統(tǒng)元件種類,完成了網(wǎng)側(cè)變流器及其控制系統(tǒng)元件級模型的搭建,并驗(yàn)證了在開源軟件平臺上所開發(fā)元件以及所搭建模型的正確性。

        在建模過程中也注意到Scilab 仿真軟件的不足之處,Modelica 語言開發(fā)模塊的界面不能更改;仿真速度與Simulink 比也要慢一些;操作界面比較粗糙還需要進(jìn)一步的優(yōu)化提升;最新版本6.1中還存在一些bug 需要修復(fù)。但是由于軟件的開源性,其擴(kuò)展性很強(qiáng),一些問題可以通過努力解決。從功能性的角度來看,Scilab 軟件可以勝任大學(xué)、研究所等機(jī)構(gòu)在電力系統(tǒng)方向的教學(xué)科研任務(wù)的,Scilab軟件不失為一條在電力系統(tǒng)領(lǐng)域建模仿真的新途徑。

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