陳永霞，郝正航，陳湘萍，張 靖，陳 卓

（貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴陽 550025）

0 引言

為解決能源危機與環(huán)境問題，我國正在不斷加大可再生清潔能源的開發(fā)利用。太陽能以其取之不盡、物美價廉的優(yōu)勢備受青睞［1-3］。為研究光伏電源及其并網(wǎng)特性，需搭建滿足各研究場景的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在實際環(huán)境下光伏板研究其輸出特性，不僅會耗費巨大的時間與物力資源，自然條件的隨機性也會導(dǎo)致研究復(fù)現(xiàn)難度大，難以完成對光伏設(shè)備的全天候測試［4-6］。由此，光伏模擬器的研究應(yīng)運而生。

目前，光伏模擬器的實驗研究主要是集中在控制理論方面，理論研究成果的實驗驗證方法，大多文獻是采取數(shù)字離線仿真方法［7-8］。也有少數(shù)研究是利用微型控制器來搭建模擬器，對成果進行實驗驗證［9-11］。相較于實時性強、耗資巨大的純實物實驗，離線仿真在成本與參數(shù)更改靈活性方面有著一定的優(yōu)勢，離線仿真具有非實時性，存在著無法實時模擬對象運行的實際場景這一缺陷，僅適用于學(xué)習(xí)和檢驗［12-13］。通過搭建模擬樣機來驗證研究成果，不僅對實驗人員的編程能力有著嚴(yán)格要求，通用性能也比較差，開放程度不高，可擴展性較低。

鑒于以上問題，本文研發(fā)了一套控制模型在通用實時仿真器（universal real-time experimental platform，UREP）運行，并通過雙核控制器樣機對物理裝置進行半實物仿真。這種仿真手段結(jié)合了離線仿真和物理模擬的優(yōu)勢，不僅能比較準(zhǔn)確地模擬實際情況，降低實驗成本，還有多種優(yōu)勢：在Simulink軟件直接搭建控制數(shù)學(xué)模型即可直接下載編譯到仿真機運行，無需嵌入式開發(fā)，并可隨時更改光伏電池的工況參數(shù)，靈活性較高。實驗平臺并不拘泥于一個實驗，在現(xiàn)有的基礎(chǔ)硬件設(shè)施上，更改Simulink 軟件的控制模型即可成為驗證其他實驗的仿真平臺，通用性較高。

1 實驗平臺配置

本文所建光伏模擬器半實物仿真平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏模擬器半實物仿真平臺結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，平臺包括：

（1）上位機。在基于框圖化環(huán)境的Simulink軟件搭建控制模型并實時監(jiān)測實驗運行狀態(tài)。

（2）UREP實時仿真器。仿真器是實驗平臺極其重要的一環(huán)，通過以太網(wǎng)口與上位機通信并運行控制模型，兼顧發(fā)送控制指令和接收反饋信息的重要功能。

（3）雙核控制器。控制器通過RS232-DB25 串口分別與UREP 實時仿真機及物理接口裝置進行通信［14-15］。

（4）物理裝置。由3 組電壓可控的Ⅳ象限變流器組成，對該基礎(chǔ)硬件設(shè)備進行合理化設(shè)計，可搭建更多類實驗平臺。

每組分配的資源：

（1）智能功率模塊（Intelling Power Module，IPM）。集成了驅(qū)動電路、電路保護功能的IGBT 功率開關(guān)器件。

（2）交／直流側(cè)電壓霍爾傳感器。采集2 路交流側(cè)線電壓，采集直流側(cè)電壓。

（3）電流傳感器。3 路電流傳感器，分別為1 路直流電流、2 路交流電流。

（4）LC濾波器。濾波電感取值為1 mH，電流峰值15A，濾波電容取值為4.7 μF，是一個低通濾波器。

2 控制器

2.1 控制器結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，在雙核控制器樣機內(nèi)置PWM 控制板卡和A／DC數(shù)據(jù)采集／轉(zhuǎn)換板卡。

圖2 雙核控制器結(jié)構(gòu)示意圖

2 塊板卡均采用雙核技術(shù)，分別為DSP 和FPGA。DSP在控制器中起橋接作用，F(xiàn)PGA 分別起產(chǎn)生調(diào)制信號和控制A／DC同步采集的作用。

控制器有9 個端子：1～3 號端子分別對應(yīng)A／DC采集／轉(zhuǎn)換板卡的前、中、后18 路采集信號接口，一組18 路采集信號對應(yīng)一套物理裝置的電壓電流信號；4～6號端子分別對應(yīng)PWM控制板卡的前、中、后18 路PWM信號接口，一組18 路PWM信號對應(yīng)一套物理裝置的控制脈沖信號；7、8 號端口分別對應(yīng)A／DC板卡和PWM板卡的局域網(wǎng)接口；9號端子為220 V電源接口。

控制器可同時控制3 套物理仿真接口裝置，同時控制9 組Ⅳ象限變流器。在大量新能源通過電力電子裝置接入電網(wǎng)的背景下，該實驗平臺有著很好的應(yīng)用前景。

2.2 控制策略的實現(xiàn)

（1）光伏電池數(shù)學(xué)模型。根據(jù)文獻［17-18］中得到光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的數(shù)學(xué)模型

式中：U、I分別為光伏電池的輸出電壓和電流；Isc為短路電流；Uoc為開路電壓；。其中：Um為最大功率點電壓；Im為最大功率點電流。

若要計算一般情況下的數(shù)學(xué)模型，首先計算相對于標(biāo)準(zhǔn)情況下的溫度差

以及光照強度差

式中：T為環(huán)境溫度；S為光照強度；Tref、Sref分別為標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的環(huán)境溫度和光照強度。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)情況下的參數(shù)計算出一般情況下的4 個參數(shù)：

式中：a＝0.002 5／℃；b＝0.5；c＝0.002 88／℃。

光伏電池在一般情況下的數(shù)學(xué)模型

經(jīng)整理可得：

（2）電壓、電流雙閉環(huán)控制。如圖3 所示，基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換理論，對有功、無功電流進行解耦，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制：將檢測得到的負(fù)載側(cè)電流Io，根據(jù)式（14）搭建U-I曲線，產(chǎn)生參考電壓Uref，將其與負(fù)載側(cè)采集到的電壓Udc之間的差值通過PI控制產(chǎn)生有功電流參考值；無功電流給定值設(shè)為0，使得光伏模擬器工作于單位功率因數(shù)。內(nèi)環(huán)控制將采集到的電網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流利用派克變換分解得到有功分量的瞬時值ud、id以及無功分量的瞬時值uq、iq。便于后續(xù)控制實現(xiàn)電流、電壓前饋控制，并利用PI 控制器實現(xiàn)由電流空間矢量到電壓空間矢量的轉(zhuǎn)換?；陔p核控制器的控制要求，將控制回路最終產(chǎn)生的調(diào)制波縮小到［0，1］范圍內(nèi)，經(jīng)空間電壓矢量脈沖寬度調(diào)制（SVPWM）控制策略產(chǎn)生Ⅳ象限變流器的驅(qū)動信號。

圖3 光伏模擬器控制原理框圖

在整個控制回路中，需對電網(wǎng)電壓進行鎖相操作，實際電網(wǎng)并非是標(biāo)準(zhǔn)三相電源，常常伴有不平衡并含有諧波的情況。為能準(zhǔn)確對電網(wǎng)電壓進行鎖相，降低鎖相不準(zhǔn)確給后續(xù)控制帶來的不良影響，本文采用雙廣義積分鎖相環(huán)（DSOGI-PLL）進行鎖相操作。該鎖相環(huán)不僅可快速、準(zhǔn)確檢測出不平衡電網(wǎng)電壓的正序相位及頻率，且具有良好的頻率自適應(yīng)性，能抑制一定的低次諧波［19-20］。

3 U-I曲線模擬原理

根據(jù)圖3 中的控制原理框圖所建控制模型通過UREP與控制器完成對物理接口裝置中一組變流器的控制，使得變流器直流輸出端子電壓、電流呈光伏組件輸出U-I特性曲線關(guān)系，由此便可實現(xiàn)對光伏電池組件的模擬。

光伏組件U-I曲線模擬原理如圖4 所示。

圖4 光伏組件U-I曲線模擬原理圖

假設(shè)：模擬器輸出端子接負(fù)載G1，且此時負(fù)載工作點為A點，流經(jīng)負(fù)載的電流為Io，模擬器此時實際輸出電壓為Ua。由組件輸出特性曲線可知，當(dāng)電流為Io時，組件實際輸出電壓應(yīng)是Uref。通過控制算法減小2 個電壓之間存在的誤差ΔU到一定的精度范圍內(nèi)，促使模擬器輸出電壓逼近Uref，就可實現(xiàn)模擬器工作點由A點到B 點的過渡，此時模擬器輸出端電壓、電流呈組件輸出U-I特性曲線關(guān)系。在特定的環(huán)境溫度及光照強度下，通過改變負(fù)載大小，可實現(xiàn)模擬器對于光伏組件輸出特性的全部模擬。

4 實驗方案及仿真效果

4.1 實驗平臺

光伏模擬器實驗平臺接線如圖5 所示，包括上位機、UREP實時仿真器，雙核控制器、物理接口裝置、電網(wǎng)、變壓器以及可調(diào)電阻箱。具體實現(xiàn)過程：在上位機Simulink軟件依次完成光伏電池數(shù)學(xué)模型以及雙閉環(huán)控制模型的搭建；將模型輸出的控制信號通過以太網(wǎng)口傳送給實時仿真器，實時仿真器通過RS232-DB25串口將控制信號發(fā)送給控制器；控制器通過RS232-DB25 串口將控制信號發(fā)送給物理接口裝置同時實時反饋端子電壓、電流數(shù)據(jù)，形成一個閉環(huán)控制回路。

圖5 光伏模擬器實驗平臺

4.2 光伏組件輸出特性

本實驗?zāi)M12 個1So1 tech 1STH-215-P型號的光伏電池串聯(lián)的光伏組件輸出特性，電池基本參數(shù)見表1。

表1 1So1 tech 1STH-215-P參數(shù)表

系統(tǒng)建模與仿真的軟件Simulink 的功能非常強悍，將其SimPowerSystems元件庫中自帶的光伏組件參數(shù)根據(jù)表1 設(shè)置，其不同工況下電池輸出特性如圖6所示。

圖6 光伏電池輸出特性曲線

由圖可知光伏電池表現(xiàn)為一種開關(guān)電源特性，在高壓段表現(xiàn)為恒壓源，在低壓段表現(xiàn)為恒流源，這為半實物仿真提供了良好的開端。

4.3 仿真實驗

根據(jù)平臺參數(shù)搭建主電路模型和相應(yīng)控制電路模型，在不同工況下對所提光伏模擬器控制方案進行仿真。

工況1令模擬器的一個環(huán)境參數(shù)為定量，另一個參數(shù)為變量測試模擬器輸出特性。

（1）T＝25 ℃。模擬測試光照強度分別為0.9、1和1.2 kW／m2時模擬器輸出特性如圖7（a）所示。

圖7 光伏模擬器輸出特性曲線

（2）S＝1 kW／m2。模擬測試溫度分別為20 ℃、25 ℃和30 ℃時模擬器輸出特性如圖7（b）所示。

仿真結(jié)果分析：將實驗工況1 的仿真結(jié)果與圖6進行對比可知，所提方案能夠準(zhǔn)確模擬光伏組件所表現(xiàn)出的開關(guān)電源特性。

工況2當(dāng)模擬器在特定工況下運行時突然改變模擬器中一個參數(shù)值來測試模擬器輸出特性。

（1）T＝25 ℃、S＝1.2 kW／m2。光照強度突然下降到1 kW／m2時模擬器輸出特性如圖8（a）所示。

圖8 光伏模擬器參數(shù)變化時輸出特性曲線

（2）T＝25 ℃、S＝1 kW／m2。溫度突然上升到30℃時模擬器輸出特性如圖8（b）所示。

仿真結(jié)果分析：工況2 的模擬結(jié)果表明，所設(shè)計模擬器可快速準(zhǔn)確地模擬環(huán)境突變時實際光伏電池輸出特性。

5 結(jié)語

本文介紹了由上位機、通用實時仿真機UREP、雙核控制器和物理裝置組成的光伏模擬器半實物仿真平臺，研究了光伏模擬器的雙閉環(huán)控制策略，并對于不同工況下光伏組件輸出特性進行了仿真模擬實驗，初步驗證了設(shè)計搭建的光伏模擬器半實物仿真實驗平臺的有效性，結(jié)果表明：

（1）所設(shè)計模擬器在各種特定工況下，均可模擬出光伏組件從恒壓源段到恒流源段的輸出特性。

（2）所設(shè)計模擬器在工況突變時，可準(zhǔn)確快速地模擬光伏組件突變前后的輸出特性。

本文設(shè)計搭建的光伏模擬器半實物仿真平臺可為光伏發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)試研究提供一種硬件輔助，該平臺可擴展性較強，可用于主電路設(shè)計論證、控制策略測試、光伏并入電網(wǎng)研究等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

知識就是力量，人才就是未來。我國要在科技創(chuàng)新方面走在世界前列，必須在創(chuàng)新實踐中發(fā)現(xiàn)人才、在創(chuàng)新活動中培育人才、在創(chuàng)新事業(yè)中凝聚人才，必須大力培養(yǎng)造就規(guī)模宏大、結(jié)構(gòu)合理、素質(zhì)優(yōu)良的創(chuàng)新型科技人才。

——摘自習(xí)近平在兩院院士大會上講話