基于RT-LAB的儲(chǔ)能變流器硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真

(國網(wǎng)山西省電力公司電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001)

1 引言

當(dāng)今，風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電得到了全面發(fā)展，然而其不連續(xù)，不穩(wěn)定，易受時(shí)間、季節(jié)和氣候等因素影響的特點(diǎn)對(duì)電力系統(tǒng)也產(chǎn)生了比較嚴(yán)重的影響?，F(xiàn)今以電池儲(chǔ)能為代表的儲(chǔ)能技術(shù)的飛速進(jìn)步為上述問題提供了良好的解決途徑，通過配合有效的控制策略，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電的輸出功率平滑，調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓、頻率及相位的變化，提高供電質(zhì)量，并增強(qiáng)可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵核心為儲(chǔ)能變流器，它是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與儲(chǔ)能電池能量交互的基礎(chǔ)，決定了電池儲(chǔ)能技術(shù)是否能在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。因此，對(duì)電池儲(chǔ)能變流器的深入研究具有非常重要的現(xiàn)實(shí)和理論意義。

硬件在環(huán)仿真(hardware-in-the-loop simulation)又稱為半實(shí)物仿真，是計(jì)算機(jī)在進(jìn)行仿真時(shí)引入部分硬件實(shí)物進(jìn)行軟硬結(jié)合的仿真,是當(dāng)今產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。半實(shí)物仿真系統(tǒng)能夠克服數(shù)學(xué)模型的不精確以及干擾等因素的影響，更加真實(shí)地反映系統(tǒng)的實(shí)際情況。通過硬件在環(huán)仿真，可以實(shí)現(xiàn)變流器的硬件控制系統(tǒng)與儲(chǔ)能電池、大電網(wǎng)、新能源發(fā)電系統(tǒng)模型的軟硬結(jié)合，大大方便了儲(chǔ)能變流器在新能源發(fā)電中應(yīng)用的研究。

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司開發(fā)的一套實(shí)時(shí)仿真框架軟件包，主要用于快速控制原型、半實(shí)物仿真等。可以讓設(shè)計(jì)者將Simulink、SystemBuild等建模工具所搭建的數(shù)學(xué)模型，通過上位機(jī)和多臺(tái)目標(biāo)機(jī)的模式，將仿真模型放置在實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)上運(yùn)行，從而方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的分布式實(shí)時(shí)仿真等工作，提高構(gòu)建系統(tǒng)的快速性和靈活性[1]。

目前，RT-LAB在國內(nèi)外已廣泛應(yīng)用于航空航天、武器研制、汽車等各種領(lǐng)域。C.A.Rabbath等人通過運(yùn)用RT-LAB實(shí)現(xiàn)了F-14的編隊(duì)飛行仿真；加拿大的Pratt&Whitney公司將RT-LAB用于發(fā)動(dòng)機(jī)的仿真設(shè)計(jì)平臺(tái)中[2]。

本文將基于TMS320F2812芯片開發(fā)的儲(chǔ)能變流器嵌入式控制器與RT-LAB仿真系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能變流器的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真，為儲(chǔ)能變流器在新能源發(fā)電等新興領(lǐng)域的應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。

2 RT-LAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

實(shí)時(shí)仿真是系統(tǒng)仿真模型的動(dòng)態(tài)過程與實(shí)際系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過程的時(shí)間進(jìn)程完全相同的仿真研究。在產(chǎn)品開發(fā)與設(shè)計(jì)的過程中，實(shí)時(shí)仿真有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

① 節(jié)約時(shí)間：利用實(shí)時(shí)仿真可以在設(shè)計(jì)過程的初期就能發(fā)現(xiàn)問題，而且即使實(shí)際系統(tǒng)不可用，也可以進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計(jì)。

② 降低成本：相比于在實(shí)物條件下對(duì)設(shè)備的測(cè)試，實(shí)時(shí)仿真可以降低經(jīng)濟(jì)成本，而且在不改變?cè)O(shè)備配置的情況下，實(shí)時(shí)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)更多可能情況的測(cè)試。

③ 增加測(cè)試功能：實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以將所有在現(xiàn)實(shí)世界中可能發(fā)生的情況在一個(gè)安全的模擬環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試。其有較高的靈活性，能夠快速修改測(cè)試系統(tǒng)的所有參數(shù)和信號(hào)。

仿真計(jì)算在計(jì)算步長(zhǎng)上有定步長(zhǎng)和變步長(zhǎng)之分，但是在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中必須采用固定的步長(zhǎng)。在這個(gè)時(shí)間范圍內(nèi)，處理器讀取輸入信號(hào)，如傳感器信號(hào)，執(zhí)行所有必需的計(jì)算，如控制算法，給出所有的輸出，如控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

RT-LAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、快速控制原型和硬件在回路測(cè)試。它的獨(dú)創(chuàng)之處在于可以把復(fù)雜的模型劃分成多個(gè)并行執(zhí)行的子系統(tǒng)模型,再把這些子系統(tǒng)分配到多個(gè)目標(biāo)機(jī)節(jié)點(diǎn)(或CPU)上,從而構(gòu)成一個(gè)可伸縮的分布式并行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

RT-LAB和Matlab/Simulink可實(shí)現(xiàn)無縫連接,在Matlab/Simulink環(huán)境下,首先對(duì)要仿真的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,并對(duì)模型進(jìn)行一定的實(shí)時(shí)化處理,然后按照RT-LAB下模型的分割方法對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分割、編輯、編譯、C代碼生成等操作,轉(zhuǎn)化為可在目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的實(shí)時(shí)代碼,最后進(jìn)行加載運(yùn)行。圖1為RT-LAB環(huán)境下系統(tǒng)的仿真實(shí)現(xiàn)流程圖[5]。

圖1 RT-LAB仿真實(shí)現(xiàn)流程圖

3 基于SVPWM的儲(chǔ)能變流器

圖2 PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖2三相電壓型PWM整流器(VSR)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中主要包括交流側(cè)電感L、功率開關(guān)管和交流濾波電感的合并等效電阻R、直流側(cè)輸出電容C以及全控開關(guān)器件(IGBT)及其續(xù)流二極管[6]。

首先定義一個(gè)單極性二值邏輯開關(guān)量sk=1，其中sk=1表示上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷；sk=0表示上橋臂關(guān)斷，下橋臂導(dǎo)通，其中k=a,b,c。根據(jù)KCL，KVL公式可得到VSR在三相靜止坐標(biāo)系下的微分方程。

(1)

由三相對(duì)稱系統(tǒng)可得

(2)

利用CLARK和PARK坐標(biāo)變換將三相靜止坐標(biāo)系(a，b，c)轉(zhuǎn)換成以電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系(d，q)，可得整流器在兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下:

(3)

式(3)中的Udcsd和Udcsq為三相橋交流測(cè)電壓空間矢量的d、q軸分量，可令Ud=Udcsd，Uq=Udcsq。因此可引入控制量Ud、Uq來實(shí)現(xiàn)解耦控制，其中控制量為：

(4)

其中ed=Em，eq=0(Em為三相交流電源的電壓幅值)。

本文所涉及的儲(chǔ)能變流器的嵌入式控制器采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制原理來實(shí)現(xiàn)PWM整流器的控制。其控制框圖如圖3所示，其中電壓外環(huán)主要用來控制整流器直流側(cè)電壓，電流內(nèi)環(huán)則根據(jù)電壓外環(huán)輸出的直流指令，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制，以達(dá)到跟蹤指令電流穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的?？刂破魇抢每臻g電壓矢量調(diào)制(SVPWM)的原理生成PWM波來驅(qū)動(dòng)三相橋以實(shí)現(xiàn)對(duì)變流器的控制。

圖3 儲(chǔ)能變流器的雙閉環(huán)控制框圖

4 RT-LAB硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的建立

RT-LAB半實(shí)物實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)硬件部分包括變流器嵌入式控制器、RT-LAB仿真主機(jī)和仿真目標(biāo)機(jī)，軟件部分包括Matlab/simulink、RT-LAB主程序、ARTEMIS工具箱和RT-Events工具箱等，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，儲(chǔ)能變流器的主電路利用RT-LAB仿真器實(shí)現(xiàn)，其控制部分利用儲(chǔ)能變流器的嵌入式控制器來實(shí)現(xiàn)。首先利用simulink搭建儲(chǔ)能變流器和儲(chǔ)能電池的仿真模型，將其交流測(cè)和直流側(cè)的電壓和電流通過模擬輸出板卡輸出以供控制器采樣，然后控制器將通過上文所述的控制環(huán)節(jié)產(chǎn)生的六路PWM波經(jīng)RT-LAB仿真目標(biāo)機(jī)的數(shù)字輸入板卡輸入到仿真模型中控制三相橋的六個(gè)IGBT管，以此來實(shí)現(xiàn)整流以及逆變。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖

變流器的三相橋由控制器產(chǎn)生的六路PWM波驅(qū)動(dòng)，因此PWM信號(hào)采集的精度決定了仿真結(jié)果的正確與否。然而對(duì)于實(shí)時(shí)仿真來說，其仿真步長(zhǎng)都是定值，信號(hào)只能在確定的間隔時(shí)刻被處理,但實(shí)際情況中PWM信號(hào)的電平值可能會(huì)在兩個(gè)步長(zhǎng)之間產(chǎn)生跳變。此時(shí)，由于離散的步長(zhǎng)限制,模型采集到的PWM脈沖的跳轉(zhuǎn)只能推遲到下一步長(zhǎng)時(shí)刻才能發(fā)生,如圖6所示。這樣就造成了采集到的PWM信號(hào)脈沖寬度和脈沖時(shí)刻的誤差，但是這種誤差在仿真過程中是絕不允許的。

圖6 PWM信號(hào)采集的誤差

在RT-LAB仿真系統(tǒng)中，RT-Events工具箱配合FPGA I/O板卡可以很好地解決脈沖事件不能正確產(chǎn)生或者捕捉所造成的問題。該工具箱中的控件能生成或處理RTE格式的信號(hào)，RTE信號(hào)可以分解為兩個(gè)向量：邏輯狀態(tài)和時(shí)間戳，其中時(shí)間戳為關(guān)于狀態(tài)跳變的時(shí)間信息，因此RTE信號(hào)可以準(zhǔn)確記錄單個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)中信號(hào)產(chǎn)生的任一事件，從而結(jié)合FPGA板卡能夠精確地采集到輸入的PWM信號(hào)。在建模時(shí)，用RT-Events的模塊取代那些受事件影響的模塊，就可以在仿真時(shí)消除數(shù)字信號(hào)采集的誤差。

用Simulink搭建仿真模型時(shí)，必須進(jìn)行頂層子系統(tǒng)的封裝，而且所有頂層子系統(tǒng)都必須以一個(gè)前綴命名，以此來區(qū)分它們的功能，這些前綴為SM_、SC_和SS_。SC_子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)仿真系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)、曲線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控或事后處理子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)通信,程序中包括了采集和顯示數(shù)據(jù)的基本組塊，與其他所有子系統(tǒng)異步運(yùn)行。SM_子系統(tǒng)負(fù)責(zé)模型的實(shí)時(shí)計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)同步。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)通過多節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)分布式處理時(shí)，模型中須包括SS_子系統(tǒng)，此時(shí)子系統(tǒng)中也包含模型的計(jì)算單元。分割好的模型中只能包括一個(gè)SC_子系統(tǒng),一個(gè)SM_子系統(tǒng)和若干個(gè)SS_子系統(tǒng)。本文所述的仿真系統(tǒng)中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以滿足運(yùn)算需求，所以模型中只包括SM_子系統(tǒng)，模型如圖7所示。

圖7 實(shí)時(shí)仿真模型的主程序

圖8為實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭械腟M_子系統(tǒng)，其中主要包括三相電源、儲(chǔ)能變流器以及蓄電池的仿真模型，還包括模擬信號(hào)輸出單元和數(shù)字信號(hào)輸入單元等。變流器中使用的三相橋?yàn)镽T-LAB開發(fā)的高阻態(tài)三相橋，其驅(qū)動(dòng)的門極信號(hào)為RTE信號(hào)。OP5142EX1 AnalogOut為RT-LAB的模擬輸出驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)變流器交直流兩側(cè)電壓和電流信號(hào)的模擬輸出以供控制器進(jìn)行采樣，其中電流信號(hào)也是轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)進(jìn)行輸出的。OP5142EX1 EventDetector為數(shù)字輸入驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)的精確采集。OP5142EX1 Ctrl為配合FPGA板卡的同步驅(qū)動(dòng)模塊。

圖9為模型中的SC_子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)變流器交流側(cè)A相電壓Va和電流Ia、直流側(cè)電壓Vdc和電池狀態(tài)的顯示。因?yàn)槿沸盘?hào)的讀取參數(shù)一致，所以只采用一個(gè)Opcomm同步模塊。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)時(shí)仿真波形如圖10、11所示。其中，圖10為恒流200A對(duì)電池充電仿真時(shí)A相的電壓及電流波形；圖11為恒流200A對(duì)電池放電仿真時(shí)A相的電壓及電流波形。

對(duì)上述實(shí)驗(yàn)波形分析可得，充電仿真時(shí)，其功率因數(shù)幾乎為1，放電仿真時(shí)，其功率因數(shù)接近-1，而且其交流側(cè)電流波形基本為正弦波形。由此可以看出，基于SVPWM的電壓電流雙閉環(huán)控制原理可以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能變流器的高功率因數(shù)的精確控制；利用RT-LAB充當(dāng)變流器的主電路拓?fù)湟约皟?chǔ)能電池，并結(jié)合變流器的嵌入式控制器，可以完成儲(chǔ)能變流器的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真及算法驗(yàn)證，為其控制算法的二次開發(fā)提供了簡(jiǎn)單快捷有效的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為儲(chǔ)能變流器在新能源發(fā)電等新興領(lǐng)域的應(yīng)用研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖8 主程序中的SM_部分程序

圖9 主程序中的SC_部分程序

圖10 200A恒流充電仿真時(shí)A相的電壓電流波形

圖11 200A恒流放電仿真時(shí)A相的電壓電流波形