基于RT-LAB的風(fēng)電并網(wǎng)混合仿真系統(tǒng)

畢大強(qiáng)，常方圓，黨 克，李秋生，于吉慶

（1.清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；2.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 132012；3.吉林省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，長(zhǎng)春 130000）

引言

近年來(lái)隨著能源、環(huán)境問題日益凸顯，風(fēng)能、太陽(yáng)能等新型能源以分布式發(fā)電或微電網(wǎng)技術(shù)接入傳統(tǒng)電力系統(tǒng)得到飛速發(fā)展，但由于規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或研究關(guān)注點(diǎn)不同等問題，使得在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)研究變得越加困難，因此對(duì)電力系統(tǒng)仿真與模擬技術(shù)提出了更高的要求和挑戰(zhàn)。目前，有關(guān)分布式發(fā)電并網(wǎng)或微電網(wǎng)問題，特別是與現(xiàn)存電網(wǎng)之間的交互影響，還主要是通過數(shù)字仿真進(jìn)行研究。

數(shù)字仿真雖然可以解決研究對(duì)象規(guī)模、結(jié)構(gòu)和復(fù)雜性的問題，模型簡(jiǎn)化使仿真結(jié)果與實(shí)際工況存在差異；而傳統(tǒng)的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)過程中使用實(shí)際設(shè)備避免了模型簡(jiǎn)化，但實(shí)際對(duì)象規(guī)模與結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的不斷提高，動(dòng)模實(shí)驗(yàn)也很難再現(xiàn)實(shí)際系統(tǒng)的模樣。仿真規(guī)模過大或者出現(xiàn)極端工況，物理仿真無(wú)法對(duì)實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行充分深入的研究，并且分布式能源的多樣性及其多變的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也使動(dòng)模實(shí)驗(yàn)不易實(shí)現(xiàn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，混合仿真技術(shù)成為電力系統(tǒng)仿真研究的一種新手段，它結(jié)合了數(shù)字仿真和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，正逐漸被應(yīng)用于大規(guī)模新能源并網(wǎng)、微電網(wǎng)運(yùn)行及控制等方面的研究。文獻(xiàn)［1］中設(shè)計(jì)了基于RTDS和變流器控制系統(tǒng)的雙饋風(fēng)電機(jī)組信號(hào)型數(shù)/?；旌戏抡娣桨福⒔o出了數(shù)字仿真模型搭建和控制系統(tǒng)開發(fā)的技術(shù)細(xì)節(jié)，但系統(tǒng)中功率環(huán)節(jié)都是通過數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)的，仿真方案還停留在硬件的回路仿真概念上。文獻(xiàn)［2］介紹了一種由光伏陣列、儲(chǔ)能電池和RTDS實(shí)時(shí)數(shù)字仿真系統(tǒng)等共同組成的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將實(shí)際的光伏電站特征信息接入數(shù)字仿真系統(tǒng)，研究光伏電站接入電網(wǎng)后系統(tǒng)穩(wěn)定特性的變化。此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中采用光纖變送器傳輸電數(shù)字信號(hào)，雖然解決了遠(yuǎn)距離傳輸電氣量的問題，但會(huì)導(dǎo)致傳輸過程中信號(hào)延遲約為0.3 ms，繼而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)滯后 5.4°，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度。文獻(xiàn)［3］提出一種數(shù)/?；旌戏抡嫦到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案,用于分布式能源并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究，該方案采用PXI作為實(shí)時(shí)數(shù)字仿真平臺(tái)，采用基于雙PWM換流器的可控功率源作為數(shù)/?；旌戏抡娼涌冢ㄟ^其與動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相連實(shí)現(xiàn)數(shù)/?；旌戏抡?。文獻(xiàn)［4］提出了一種基于NI-PXI及cRIO的可控功率源（controllable power source,CPS）硬件在環(huán)仿真平臺(tái)，用于風(fēng)力發(fā)電及并網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的研究。文獻(xiàn)［3-4］中，關(guān)注電網(wǎng)側(cè)的動(dòng)態(tài)行為，所以大電網(wǎng)部分為物理模型，風(fēng)電機(jī)組部分為數(shù)字模型，通過采集并網(wǎng)點(diǎn)電壓將電網(wǎng)的響應(yīng)反饋至風(fēng)電機(jī)組的數(shù)字模型，但是NI-PXI平臺(tái)的計(jì)算速度相對(duì)要慢些，會(huì)影響混合仿真運(yùn)行速度。

就目前的研究成果來(lái)看，國(guó)內(nèi)外對(duì)大規(guī)模新能源接入電力系統(tǒng)混合仿真的研究尚處于初步階段，尤其是采用數(shù)字物理混合仿真的方式，對(duì)新能源并網(wǎng)后電力系統(tǒng)與新能源系統(tǒng)之間相互影響的例子還比較少，雖然有一些成功的應(yīng)用，但是在很多方面還有局限，特別是缺乏對(duì)混合仿真交互動(dòng)態(tài)的深入認(rèn)識(shí)。

本文基于雙饋風(fēng)電并網(wǎng)實(shí)際物理設(shè)備和RTLAB實(shí)時(shí)仿真電力系統(tǒng)相結(jié)合，構(gòu)建了風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)混合仿真系統(tǒng)。物理模型、數(shù)字仿真模型系統(tǒng)通過內(nèi)外并網(wǎng)點(diǎn)界面上的電壓電流相互耦合起來(lái)，成為一個(gè)相互作用的整體，以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)的并網(wǎng)控制為例，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)

1.1 雙饋風(fēng)力發(fā)機(jī)的數(shù)學(xué)模型

關(guān)于雙饋發(fā)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型［5-6］，為了便于討論，做如下假定：①忽略定、轉(zhuǎn)子電流高次諧波和定、轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)高次諧波分量；②忽略電機(jī)鐵心磁滯、渦流損耗及磁路飽和的影響；③轉(zhuǎn)子量均折算到定子側(cè)；④各物理量正方向按照電動(dòng)機(jī)慣例選取。則在同步速旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系下，定、轉(zhuǎn)子電壓方程為

定子、轉(zhuǎn)子磁鏈d、q軸分量方程為

式中：Rs為定子電阻；Rr為轉(zhuǎn)子電阻；Ls為定子等效兩相繞組自感；Lr為轉(zhuǎn)子等效兩相繞組自感；Lm為d-q坐標(biāo)系定轉(zhuǎn)子同軸等效繞組間互感；vsd、vsq為定子電壓的 d、q 軸分量；vrd、vrq為轉(zhuǎn)子電壓的 d、q 軸分量；φsd、φsq為定子磁鏈的 d、q 軸分量；φrd、φrq為轉(zhuǎn)子磁鏈的 d、q 軸分量；isd、isq為定子電流的 d、q 軸分量；ird、irq為轉(zhuǎn)子電流的d、q軸分量；ω為轉(zhuǎn)差角速度。

定子側(cè)、轉(zhuǎn)子側(cè)的有功功率、無(wú)功功率為

發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

式中，p為發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

1.2 雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)控制系統(tǒng)

本文采用雙PWM變流器對(duì)轉(zhuǎn)子回路進(jìn)行勵(lì)磁，網(wǎng)側(cè)變流器與電網(wǎng)直接相連，其主要控制目標(biāo)是保持直流電壓恒定且具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力；轉(zhuǎn)子側(cè)變流器與轉(zhuǎn)子相連，其功能為確保發(fā)電機(jī)輸出解耦的有功和無(wú)功功率。網(wǎng)側(cè)和轉(zhuǎn)子側(cè)變流器分別采用電網(wǎng)電壓定向和定子電壓定向的矢量控制。

1.2.1 網(wǎng)側(cè)變流器控制

網(wǎng)側(cè)變流器在d-q坐標(biāo)下的方程為

有功功率、無(wú)功功率分別為

將同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)d軸定向于vd，則vq為0。有功和無(wú)功功率可分別轉(zhuǎn)化為對(duì)id和iq的控制。忽略開關(guān)動(dòng)作引起的諧波和其他損耗，式（9）可轉(zhuǎn)化為

由此可見，可用id單獨(dú)控制vdc，經(jīng)過對(duì)直流電壓誤差的PI調(diào)節(jié)可以得到其參考值；同理，無(wú)功功率由決定，當(dāng)設(shè)為0時(shí)，可以滿足功率因數(shù)為1的要求。整體矢量控制策略如圖1所示。

圖1 網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制原理

1.2.2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器控制

轉(zhuǎn)子側(cè)采用定子電壓定向矢量控制方案［7］。假設(shè)定子電壓為常數(shù)，定子電阻的影響可以忽略不計(jì)，由式（1）～式（7）可得

電磁轉(zhuǎn)矩為

式中：σ=1-L2m/LsLr；ω=ωs-ωr。

由式（11）～式（12）可知

圖2 轉(zhuǎn)子側(cè)變流器矢量控制原理

2 RT-LAB仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)介

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司開發(fā)的一套基于模型的仿真系統(tǒng)平臺(tái)軟件包，可將MATLAB/Simulink所搭建的系統(tǒng)，通過上位機(jī)和多處理器目標(biāo)機(jī)，在實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上運(yùn)行，并可通過Windows窗口對(duì)目標(biāo)機(jī)的整個(gè)運(yùn)行過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供在線修改參數(shù)的功能，從而方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜仿真、快速控制原型仿真，以及硬件在回路仿真的工作。RT-LAB仿真平臺(tái)主要包括上位機(jī)、目標(biāo)機(jī)及參與仿真的硬件［8］，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

總的來(lái)說(shuō)RT-LAB實(shí)時(shí)系統(tǒng)仿真軟件具有如下一些優(yōu)點(diǎn)［9］：（1）在仿真模型各個(gè)子系統(tǒng)之間可以獲得實(shí)時(shí)通信和同步控制；（2）支持半物理仿真，如硬件在回路、快速控制原型；（3）支持與其他非實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的協(xié)同仿真，這些非實(shí)時(shí)平臺(tái)上的程序通過RT-LAB仿真界面接口程序與仿真模型系統(tǒng)之間交互非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；（4）能自動(dòng)劃分模型并產(chǎn)生分布式仿真代碼，RT-LAB工具自動(dòng)照顧編碼細(xì)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)不但加速開發(fā)過程，而且使得仿真模型具有靈活的伸縮能力；（5）允許現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)信號(hào)連進(jìn)仿真模型，從而實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)行通信，進(jìn)而構(gòu)建半物理、分布式仿真系統(tǒng)。

圖3 RT-LAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 風(fēng)電并網(wǎng)混合仿真系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)混合仿真平臺(tái)中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、并網(wǎng)變流器、并網(wǎng)點(diǎn)模擬器以及交流負(fù)載等為實(shí)際的物理設(shè)備，風(fēng)電所并入的電網(wǎng)部分采用RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)數(shù)字建模，通過數(shù)字電力系統(tǒng)控制并網(wǎng)點(diǎn)模擬器模擬接入電網(wǎng)。數(shù)字仿真部分實(shí)時(shí)地將RT-LAB仿真輸出的并網(wǎng)點(diǎn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量輸出，并由并網(wǎng)點(diǎn)電壓模擬器放大，作為實(shí)際風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的并網(wǎng)電壓；同時(shí)，將風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的并網(wǎng)電流信號(hào)通過模擬量輸入傳送回RT-LAB仿真系統(tǒng)中，作為數(shù)字系統(tǒng)中風(fēng)電并網(wǎng)點(diǎn)的注入電流，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)際風(fēng)電系統(tǒng)和數(shù)字電力系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)界面上的電壓、電流的控制和反饋。因此，實(shí)際風(fēng)電系統(tǒng)嵌入到電力仿真系統(tǒng)中，數(shù)字仿真系統(tǒng)和實(shí)際風(fēng)電設(shè)備形成一個(gè)完整的混合仿真系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

通過觀測(cè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中并網(wǎng)點(diǎn)電壓、電流等參數(shù)的變化可以研究風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后整個(gè)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，以及兩者之間的相互影響和相互作用。

3.2 物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備參數(shù)

拖動(dòng)電機(jī)額定功率4 kW，額定電壓380 V，同步轉(zhuǎn)速1 000 r/min，極對(duì)數(shù)6。雙饋風(fēng)電機(jī)組額定功率3 kW，額定電壓380 V，頻率50 Hz，同步轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，轉(zhuǎn)子額定電流3 A，定子額定電流3.8 A，極對(duì)數(shù)6。交流負(fù)載額定功率為3 kW。并網(wǎng)點(diǎn)模擬器采用Eglar公司生產(chǎn)的線性受控電源（smart wave switching amplifier），其響應(yīng)速度為 10 μs。

圖4 混合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

3.3 RT-LAB仿真平臺(tái)模型

如圖5所示，數(shù)字電力系統(tǒng)模型部分基于RTLAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)搭建，電力系統(tǒng)運(yùn)行電壓設(shè)為390 V，線路阻抗設(shè)為2Ω。

為了方便調(diào)節(jié)實(shí)際風(fēng)電系統(tǒng)饋入電網(wǎng)的電壓頻率，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中采用幅值和頻率可調(diào)的可控電壓源表示電網(wǎng)。實(shí)時(shí)仿真模型中，受控源作為并網(wǎng)點(diǎn)風(fēng)力發(fā)電注入電流，等效為風(fēng)電并網(wǎng)系統(tǒng)的作用，受實(shí)際風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)電流控制。對(duì)于實(shí)際的風(fēng)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的并網(wǎng)點(diǎn)電壓受RT-LAB實(shí)時(shí)平臺(tái)上虛擬電網(wǎng)的控制，所以可模擬電網(wǎng)運(yùn)行情況變化對(duì)實(shí)際風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)特性的影響；同時(shí)，對(duì)于實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的運(yùn)行特性受到風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)外特性的影響，所以能夠模擬風(fēng)電并網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行情況的影響。

圖5 實(shí)時(shí)仿真接入電力系統(tǒng)模型

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

整個(gè)風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)混合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)場(chǎng)景如圖6所示。通過風(fēng)力發(fā)電上位機(jī)界面控制，給定原動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為800 r/min，風(fēng)電機(jī)組定子并網(wǎng)功率為1 kW，可調(diào)式交流負(fù)載額定功率為3 kW。系統(tǒng)運(yùn)行至10.8 s時(shí)，轉(zhuǎn)速提高到1 100 r/min，功率升高為2 kW，20.1 s時(shí)功率升高到3 kW，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行。圖7為整體實(shí)驗(yàn)波形結(jié)果。

圖6 風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)混合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)場(chǎng)景

圖7 整體實(shí)驗(yàn)參數(shù)波形

其中，CH1、CH2、CH3 為 RT-LAB 實(shí)時(shí)平臺(tái)所模擬風(fēng)電接入并網(wǎng)點(diǎn)的電網(wǎng)輸出電流，CH10、CH11、CH12為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的并網(wǎng)電流，CH7、CH8、CH9為實(shí)際風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)三相電壓。圖8和圖9分別為功率1 kW、轉(zhuǎn)速800 r/min和功率3 kW、轉(zhuǎn)速1 100 r/min時(shí)各變量幅值及波形變化放大。

圖8 風(fēng)電功率1 kW時(shí)各狀態(tài)變量

圖9 風(fēng)電功率3 kW時(shí)各狀態(tài)變量

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，風(fēng)電機(jī)組并網(wǎng)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，當(dāng)定子并網(wǎng)功率為1 kW，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)電流CH10、CH11、CH12的幅值分別為 833.8 mA、865.5 mA、786.9 mA，并網(wǎng)點(diǎn)電壓 CH7、CH8、CH9 幅值分別為 218.6 V、219.6 V、218.9 V，并網(wǎng)點(diǎn)的模擬電網(wǎng)輸出電流實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中并網(wǎng)點(diǎn)電流CH1、CH2、CH3 幅值分別為 4.08 A、4.12 A、4.05 A；當(dāng)定子并網(wǎng)功率增大至3 kW，此時(shí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)電流CH10、CH11、CH12 的 幅 值 分 別 為 3.27 A、3.29 A、3.19 A， 并網(wǎng)點(diǎn)電壓 CH7、CH8、CH9 幅值分別為223.1 V、224.1 V、223.4 V， 并網(wǎng)點(diǎn)的模擬電網(wǎng) CH1、CH2、CH3 幅值分別為 1.73 A、1.80 A、1.72 A。

從波形和數(shù)據(jù)分析可以看出，隨著實(shí)際風(fēng)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率增加，并網(wǎng)電流增加，就地負(fù)載消耗了風(fēng)電功率，使得接入電網(wǎng)輸出的電流減小，反應(yīng)到內(nèi)部電網(wǎng)仿真模型中，線路阻抗壓降減小，導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高。整體實(shí)驗(yàn)過程中，波形平穩(wěn)，運(yùn)行良好。實(shí)驗(yàn)波形體現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的相互影響關(guān)系，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的風(fēng)電并網(wǎng)混合仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的有效性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文中所設(shè)計(jì)的風(fēng)電并網(wǎng)混合仿真系統(tǒng)的特點(diǎn)在于將RT-LAB仿真平臺(tái)與實(shí)際風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)設(shè)備構(gòu)成了完整的系統(tǒng)，其應(yīng)用前景廣闊。首先，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有電網(wǎng)接入背景，可以在實(shí)際電網(wǎng)環(huán)境下研究新能源的運(yùn)行特性；其次，本系統(tǒng)可以研究新能源接入后電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的完成為進(jìn)一步開展新能源接入電網(wǎng)后新能源系統(tǒng)和電網(wǎng)之間相互作用的研究打下了基礎(chǔ)。

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