基于RTLAB仿真平臺的新能源機(jī)組硬件在環(huán)仿真

胡 畔，曹 侃，葉 暢，江克證

（國網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430072）

0 引言

近年來，湖北省新能源發(fā)展迅速。十四五期間預(yù)計將會爆發(fā)式增長。新能源的隨機(jī)性和波動性導(dǎo)致部分地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行控制及新能源消納壓力較大。傳統(tǒng)機(jī)電暫態(tài)的仿真技術(shù)通?；诨ㄏ嗔康臏?zhǔn)穩(wěn)態(tài)模型，步長一般在ms級［1］，主要關(guān)注電力系統(tǒng)在經(jīng)受大擾動及小擾動后系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此往往只能關(guān)注系統(tǒng)在工頻及其附近范圍的動態(tài)穩(wěn)定性［2］。對于電力電子毫米級及微秒級的過程，機(jī)電暫態(tài)仿真難以滿足，需要基于電磁暫態(tài)仿真技術(shù)開展系統(tǒng)研究。

光伏逆變器、風(fēng)電變流器等作為新能源電站的核心部件，如何對其電網(wǎng)適應(yīng)性，故障穿越性能和保護(hù)性能進(jìn)行有效檢測、督促主流廠家技術(shù)整改落實到位，成為保證新能源電站安全穩(wěn)定并網(wǎng)的關(guān)鍵措施［4-6］。然而目前針對新能源控制系統(tǒng)測試的傳統(tǒng)實現(xiàn)方式是在現(xiàn)場搭建真實設(shè)備，或在實驗室建立電力測試臺架或全套測試系統(tǒng)上進(jìn)行。雖然這種方法能夠保證測試的準(zhǔn)確性，但同時存在造價昂貴，效率低和有潛在危險的缺點［7-8］。近年來，基于實時分布式仿真測試技術(shù)，如RTDS、RTLAB、ADPSS 得到了廣泛的應(yīng)用［3］。硬件在環(huán)HIL（hardware in loop）技術(shù)能夠替代這種傳統(tǒng)測試方法提供解決方案［9-11］。在HIL 仿真中，使用物理仿真模型來替代真實的電力設(shè)備，實時運(yùn)行在仿真機(jī)上，此仿真機(jī)配備了與控制器系統(tǒng)和其他系統(tǒng)連接的輸入與輸出（IO）接口裝置。HIL仿真器通過建立物理仿真模型就可以模擬出被測對象傳感器和執(zhí)行器動態(tài)特性，實現(xiàn)復(fù)雜的閉環(huán)測試，則不需要在真實系統(tǒng)上測試［12］。硬件在環(huán)（HIL）基于仿真器通過計算模擬電力系統(tǒng)一次部分實時地將控制保護(hù)裝置需要的電壓、電流量通過物理接口和功率放大器發(fā)送給控制保護(hù)裝置，同時采集控制保護(hù)裝置返回的控制信號，進(jìn)而影響被仿真系統(tǒng)的運(yùn)行，從而形成閉環(huán)，全面檢驗控制裝置動作特性及其動作方式對所在系統(tǒng)的影響［13］。中國電科院、冀北電科院、海軍工程大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)的青睞，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于張北示范工程、渝鄂背靠背直流輸電工程［14-15］。

針對此，本文提出了一種基于RTLAB仿真平臺的新能源機(jī)組硬件在環(huán)仿真技術(shù)，建立了兩類新能源機(jī)組硬件在環(huán)仿真平臺，提出了新能源機(jī)組硬件在環(huán)仿真實施步驟?；诤彪S州某新能源電站的機(jī)組開展了硬件在環(huán)實際仿真工作，證明了本文所提出的硬件在環(huán)仿真方法的有效性。

1 主要方案及步驟

1.1 總體架構(gòu)及步驟

如引言所述，常見的實時分布式硬件在環(huán)技術(shù)主要包含RTDS、RTLAB、ADPSS。RT-LAB 優(yōu)勢在于電力電子在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，新能源模型豐富，接口擴(kuò)展性強(qiáng)，對第三方兼容性好，小步長仿真技術(shù)領(lǐng)先，適合新能源仿真與測試；RTDS優(yōu)勢在常規(guī)電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，但劣勢在于不擅長電力電子小步長仿真，且系統(tǒng)封閉性，對第三方軟硬件兼容差；ADPSS優(yōu)勢在大規(guī)模機(jī)電暫態(tài)仿真分析，但新能源模型不夠豐富，接口兼容性和擴(kuò)展性較差，所以更適合做大電網(wǎng)的機(jī)電暫態(tài)全數(shù)字仿真，比如電網(wǎng)運(yùn)行分析，不適合做新能源檢測平臺或者功率級測試。以RTDS 與RTLAB 為例，主要仿真特點及應(yīng)用場合對比如表1。

表1 RTDS與RTLAB仿真特點對比表Table 1 Simulation characteristics comparison of RTDS and RTLAB

基于RT-LAB的新能源硬件在環(huán)測試平臺包含硬件部分和軟件部分。硬件部分主要由上位機(jī)和實時仿真機(jī)組成。系統(tǒng)采用開放架構(gòu)，基于標(biāo)準(zhǔn)總線和工業(yè)用實時RedHat Linux 操作系統(tǒng)，系統(tǒng)軟硬件均具有升級和擴(kuò)充能力，支持第三方多種板卡擴(kuò)充。本系統(tǒng)為分布式系統(tǒng)，模塊化設(shè)計，在滿足用戶技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，具有良好的靈活性和擴(kuò)展性，可進(jìn)行軟硬件的擴(kuò)展，可滿足包括仿真規(guī)模的擴(kuò)展、功能上的擴(kuò)展、硬件I/O數(shù)量和各種總線類型的擴(kuò)容等。

軟件部分采用分布式實時仿真管理軟件。軟件部分具有模型開發(fā)、編譯、自動代碼生成、自動代碼下載、仿真執(zhí)行、參數(shù)在線調(diào)整、上位機(jī)與仿真機(jī)通訊、仿真機(jī)內(nèi)CPU之間實時通訊、仿真數(shù)據(jù)的實時存儲和回放等功能。

該硬件在環(huán)測試平臺由3 部分組成，分別是試驗管理分系統(tǒng)、實時仿真分系統(tǒng)和信號接口分系統(tǒng)，其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 基于RT-LAB硬件在環(huán)測試平臺原理圖Fig.1 Schematic diagram of RT-LAB-based hardware-based in-the-loop test platform

試驗管理分系統(tǒng)是上位機(jī)系統(tǒng)，具有模型開發(fā)、試驗管理、自動測試和圖形監(jiān)控等功能。

實時仿真分系統(tǒng)是下位機(jī)系統(tǒng)，是整個系統(tǒng)的核心部分，包括1臺RT-LAB OP5700實時仿真器（單臺8核Intel Xeon E5 處理器，主頻3.2 GHz，Xilinx Virtex-7 FPGA板卡，時鐘200 MHz，16個SFP接口，8個高速I/O插槽、6個PCI/PCIe插槽），可以放置PCI或PCIe接口的第三方I/O板卡。），需要具備系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型實時運(yùn)行以及實時I/O端口配置等功能，其中三相交流系統(tǒng)的主電路模型放在OP5700 的CPU 中運(yùn)行，而電力電子裝置模型（也就是控制器的被控對象）放在OP5700 的CPU（步長＜25 μs）或OP5700 的FPGA（步長＜1 μs）中運(yùn)行（其數(shù)據(jù)通過PCIe 總線交互），一般當(dāng)仿真規(guī)模不大，步長要求不是很高的情況下CPU 模型的解決方案就能夠滿足需求。

信號接口分系統(tǒng)需要具備與裝置的控制柜、智能光纖接口箱和功率放大器等實物的物理連接等功能。一方面從I/O 輸出的模擬量值輸入到控制器中用于控制算法；另一方面，控制系統(tǒng)中的閥基控制器與仿真器還需要有智能光纖接口箱和高速光纖通訊，用來模擬真實的控制器與其被控對象之間的通訊環(huán)境。因此，基于RTLAB 仿真平臺的新能源機(jī)組硬件在環(huán)數(shù)?；旌戏抡嬷饕襟E如下：

1）依據(jù)實際新能源機(jī)組電氣結(jié)構(gòu)，建立三相交流系統(tǒng)的主電路模型，構(gòu)建單元電氣一次主電路；

2）根據(jù)控制信號邏輯、通訊要求，實現(xiàn)信號接口分系統(tǒng)與裝置的控制柜、智能光纖接口箱和功率放大器等實物的物理連接；

3）設(shè)置試驗典型工況并開展仿真性能測試。

1.2 新能源機(jī)組硬件在環(huán)仿真平臺搭建

1.2.1 500 kW光伏電力電子一次模型

光伏發(fā)電單元的機(jī)電暫態(tài)模型包括光伏方陣和光伏逆變器，其中光伏逆變器采用實際控制保護(hù)設(shè)備，采用硬件在環(huán)方式研究其發(fā)電單元的并網(wǎng)特性。以某500 kW 的光伏并網(wǎng)設(shè)備為例，其硬件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏自同步電壓源一次模型Fig.2 Photovoltaic self-synchronous voltage source primary model

其一次部分主要由受控直流電壓源、IGBT，濾波 電路構(gòu)成，其中主要參數(shù)如表2。

表2 電路一次參數(shù)表Table 2 Circuit primary parameters

1.2.2 2 MW風(fēng)機(jī)電力電子一次模型

風(fēng)電機(jī)組一般由機(jī)側(cè)原動部分及網(wǎng)側(cè)換流部分構(gòu)成。因此，在一次部分相對光伏機(jī)組更加復(fù)雜。以湖北廣水某風(fēng)電場的2.0 MW直驅(qū)式風(fēng)機(jī)為例，風(fēng)電機(jī)組采用雙分裂繞組，配套2 臺機(jī)側(cè)變流器、2 套網(wǎng)側(cè)變流器，其電氣一次部分（包含永磁直驅(qū)原動機(jī)）及其主要參數(shù)如圖3～圖5所示。

圖3 某直驅(qū)式風(fēng)機(jī)一次拓?fù)浼捌鋮?shù)Fig.3 Primary topology of a direct-drive wind turbine and its parameters

圖4 實驗平臺控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of the hardware structure of experimental platform control system

圖5 半實物仿真接線圖Fig.5 Semi-physical simulation wiring diagram

2 仿真測試平臺搭建

為驗證電站現(xiàn)場使用的逆變器與型式試驗樣機(jī)并網(wǎng)性能一致，需開展逆變器控制器一致性核查。以光伏逆變器硬件在環(huán)仿真平臺搭建為例，其仿真測試平臺包含光伏逆變器并網(wǎng)測試一次回路（包含光伏陣列、直流源、并網(wǎng)檢測裝置）模型和光伏逆變器控制器兩部分，兩者通過半實物仿真器I/O 口相連接。在半實物仿真軟件中對光伏逆變器并網(wǎng)測試一次回路進(jìn)行建模，采樣電壓、電流等信號，并通過I/O 接口輸出至DSP板（或轉(zhuǎn)接板），DSP板（或轉(zhuǎn)接板）輸出PWM 波對逆變器控制器性能進(jìn)行測試，測試平臺架構(gòu)圖如圖6所示。

圖6 光伏硬件在環(huán)仿真測試平臺架構(gòu)圖Fig.6 Photovoltaic hardware-in-the-loop simulation test platform

考慮到單純采用DSP 控制板進(jìn)行接線不方便，且涉及的通信部分半實物仿真器無法模擬，因此，半實物仿真測試，工程師通常需依據(jù)板件實際情況帶主控板、接口板等進(jìn)行測試。（提供的信號為物理信號，接口電平范圍為±16 V），通過R485 進(jìn)行通訊連接，并對應(yīng)相應(yīng)的模擬量與信息量數(shù)據(jù)，其DSP及轉(zhuǎn)接板與RTLAB通訊接口如表3。

表3 光伏逆變器與RTLAB接口通訊點表Table 3 Interface communication information between photovoltaic inverter and RTLAB

3 實例驗證

為驗證本文所提出的基于RTLAB 硬件在環(huán)仿真技術(shù)的有效性，針對圖2及表3所示的光伏逆變器自同步電壓源控制型逆變器，進(jìn)行并網(wǎng)特性仿真模擬測試，測試參數(shù)及接口與前文一致，采用FPGA 進(jìn)行精確仿真，仿真步長為20 μs，主要對該控制器是否具備故障穿越、一次調(diào)頻、慣量支撐等功能進(jìn)行驗證。主要工況包括：高低穿工況、一次調(diào)頻、轉(zhuǎn)動慣量、MPPT 測試、運(yùn)行模式切換、功率控制能力測試。

1）連續(xù)高低穿測試

按照《GB/T 19964-2012 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》的要求，光伏并網(wǎng)逆變器需要具備高、低穿能力，結(jié)合實際工程需要，設(shè)置較為嚴(yán)苛的連續(xù)高低穿測試工況，如表4所示。圖7中，電壓由0.2Un-1.3Un，曲線x軸對應(yīng)時間（ms），y軸對應(yīng)標(biāo)幺值，4條曲線分別為母線電壓Un，有功功率P，d 軸電流Id（對應(yīng)有功功率），d軸電流Iq（對應(yīng)無功功率）。圖8-圖9與圖7一致，僅電壓變化范圍不同，如表4所示。

表4 連續(xù)高低穿測試工況設(shè)置Table 4 Operation setting for continuous high and low voltage ride-through test

圖7 連續(xù)高低電壓工況測試（0.2Un-1.3Un）Fig.7 Operation setting for continuous high and low voltage ride-through test（0.2Un-1.3Un）

圖8 連續(xù)高低電壓工況測試（0.5Un-1.25Un）Fig.8 Operation setting for continuous high and low voltage ride-through test（0.5Un-1.25Un）

圖9 連續(xù)高低電壓工況測試（0.75Un-1.2Un）Fig.9 Operation setting for continuous high and low voltage ride-through test (0.75Un-1.2Un)

2）一次調(diào)頻測試

按照GB/T 19964-2012 要求，設(shè)置光伏逆變器并網(wǎng)點頻率波動范圍為50.5 Hz～49.5 Hz，頻率超過此范圍后，功率維持不變。調(diào)頻死區(qū)設(shè)置為±0.05 Hz，頻率波動小于此范圍時，功率維持不變。試驗測試結(jié)果如圖10所示，圖中曲線x 軸對應(yīng)時間（ms），曲線1中y 軸對應(yīng)有功標(biāo)幺值，曲線2中y為并網(wǎng)點頻率f。

圖10 一次調(diào)頻測試Fig.10 Primary frequency modulation test results

3）轉(zhuǎn)動慣量測試

按照《GB/T 19964-2012 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》要求，設(shè)置頻率由50 Hz階躍變化至49.8 Hz。轉(zhuǎn)動慣量由0.1 p.u.變化至0.2 p.u.，頻率調(diào)節(jié)時間如圖11所示，明顯增加，圖中曲線x軸對應(yīng)時間（ms），曲線1中y軸對應(yīng)有功標(biāo)幺值，曲線2中y為并網(wǎng)點頻率f。

圖11 轉(zhuǎn)動慣量測試結(jié)果，F(xiàn)ig.11 Rotational inertia test results

4）MPPT控制能力測試

在電流源/電壓源模式下，光照強(qiáng)度從200 勒克斯增加到1 000 勒克斯，再降回到200 勒克斯，檢驗輸出功率能夠追蹤最大功率點，測試結(jié)果如圖12及圖13所示，圖中曲線x 軸對應(yīng)時間（ms），曲線1 中y 軸對應(yīng)有功標(biāo)幺值，曲線2中y為光照強(qiáng)度。

圖12 電流源MPPT控制能力測試結(jié)果Fig.12 Current source MPPT control capability test results

圖13 電壓源MPPT控制能力測試結(jié)果Fig.13 Voltage source MPPT control capability test results

5）電壓/電流源模式切換控制測試

在電流源/電壓源額定模式下，額定0.2 p.u.下開展模式切換功能測試，驗證光伏逆變器穩(wěn)定控制。結(jié)果如圖14 及圖15 所示。曲線x 軸對應(yīng)時間（ms），y 軸對應(yīng)標(biāo)幺值，4 條曲線分別為母線電壓Un，有功功率P，d軸電流Id（對應(yīng)有功功率），d 軸電流Iq（對應(yīng)無功功率）。

圖14 電流源模式切換電壓源Fig.14 Current-source switched to voltage-source

圖15 電壓源模式切換電流源Fig.15 Voltage-source mode switched to current-source

6）功率控制測試

設(shè)置逆變器的輸出有功功率按指令從0.1Pn增加到0.8Pn，測試結(jié)果如圖16。曲線x軸對應(yīng)時間（ms），y軸對應(yīng)標(biāo)幺值，4條曲線分別為母線電壓Un，有功功率P，d 軸電流Id（對應(yīng)有功功率），d 軸電流Iq（對應(yīng)無功功率）。

圖16 有功功率控制能力測試Fig.16 Active power control capability test, curve x-axis corresponds to time (ms)

設(shè)置逆變器的輸出無功功率按指令0 kvar、100 kvar、150 kvar、-50 kvar、-100 kvar、-150 kvar 輸出。逆變器的輸出無功功率直接受電網(wǎng)電壓的實時調(diào)節(jié)，無功參考指令僅用作無功功率補(bǔ)償，調(diào)節(jié)不同箱變下因參數(shù)差異導(dǎo)致的電網(wǎng)電壓不一致所致的無功差值，結(jié)果如圖17，曲線x軸對應(yīng)時間（ms），y軸對應(yīng)標(biāo)幺值，4條曲線分別為母線電壓Un，有功功率P，d軸電流Id（對應(yīng)有功功率），d軸電流Iq（對應(yīng)無功功率）。

圖17 無功功率控制能力測試Fig.17 Reactive power control capability test

經(jīng)過上述測試，待測設(shè)備所有功能均滿足相關(guān)設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)要求，通過本文所提出的硬件在環(huán)仿真平臺可有效開展新能源單元的并網(wǎng)性能測試及試驗，HIL測試驗證了該控制器的有效性和優(yōu)點。

4 結(jié)語

由于新能源機(jī)組大規(guī)模接入，電力系統(tǒng)呈現(xiàn)電力電子化趨勢，亟需開展電磁暫態(tài)仿真。本文基于RTLAB仿真平臺，提出了一種新能源機(jī)組硬件在環(huán)仿真步驟及方法，給出了典型光伏及風(fēng)機(jī)一次ehs模型?；谀硨嶋H工程的光伏逆變器，開展了硬件在環(huán)仿真，實現(xiàn)了在實驗室環(huán)境下完成對控制器的測試。結(jié)果表明，基于RTLAB 仿真平臺可開展極限測試、故障測試及在實際的環(huán)境下費(fèi)用高昂或不能開展的測試等，具有廣闊的應(yīng)用前景。