基于RT-LAB 的儲(chǔ)能逆變器RCP 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)發(fā)

尹平平

（上?？屏盒畔⒖萍脊煞萦邢薰?，上海 200233）

隨著風(fēng)電、光伏等新能源的大量并網(wǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1-6]，目前電網(wǎng)中應(yīng)用的儲(chǔ)能元件主要以鋰電池、液流電池等各種大容量電池為主，儲(chǔ)能逆變器主要用于實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)之間的功率轉(zhuǎn)換，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，儲(chǔ)能逆變器將儲(chǔ)能電池的直流電能轉(zhuǎn)換為滿足電網(wǎng)并網(wǎng)要求的交流電能，實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)存能量向電網(wǎng)的饋送，反之，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期，儲(chǔ)能逆變器將電網(wǎng)的交流電能轉(zhuǎn)化為直流電能，為儲(chǔ)能電池充電。這樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷的削峰填谷，從而提高電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。

RT-LAB 作為一款實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。其可以靈活、方便地實(shí)現(xiàn)各種控制策略，并實(shí)現(xiàn)與儲(chǔ)能逆變器各種I/O 接口的連接，進(jìn)而組成儲(chǔ)能逆變器快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。相比于傳統(tǒng)的基于DSP、FPGA 等數(shù)字控制芯片設(shè)計(jì)制作控制電路板,并設(shè)計(jì)編寫(xiě)代碼的開(kāi)發(fā)方式，RCP 在控制策略的研發(fā)驗(yàn)證過(guò)程中，具有周期短、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，在節(jié)省成本的同時(shí)能夠幫助研發(fā)人員對(duì)控制策略進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，加快產(chǎn)品的研制進(jìn)度[7-14]。

該文基于RT-LAB 設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能逆變器的RCP 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并基于該平臺(tái)對(duì)所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能逆變器的控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 儲(chǔ)能逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

文中儲(chǔ)能逆變器主回路采用兩電平電壓型三相逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，從圖可見(jiàn)，主電路結(jié)構(gòu)為橋式拓?fù)洌还踩齻€(gè)橋臂，每相橋臂由上下兩個(gè)IGBT 開(kāi)關(guān)管組成。任意時(shí)刻，每相橋臂各有一個(gè)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，每相橋臂輸出電壓有兩個(gè)電平。另外，每相橋臂上、下兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通。三相橋臂分別在正弦波調(diào)制作用下逆變出所期望的一定頻率、相位和幅值的三相正弦電壓。

圖1 儲(chǔ)能逆變器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

在d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，儲(chǔ)能逆變器的數(shù)學(xué)模型為[16]：

式中，R和L為儲(chǔ)能逆變器與電網(wǎng)之間連接阻抗的電阻和電感，usd和usq為交流電網(wǎng)側(cè)交流電壓的dq軸分量，ucd和ucq為儲(chǔ)能逆變器交流輸出側(cè)電壓的dq軸分量，id和iq為儲(chǔ)能逆變器交流輸出側(cè)電流的dq軸分量。取dq旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的d軸與網(wǎng)側(cè)A 相電壓重合，則usd=Usm（Usm為網(wǎng)側(cè)相電壓的幅值），usq=0，有功和無(wú)功功率可以表示為：

對(duì)于該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的儲(chǔ)能逆變器，其本質(zhì)是一種電壓源換流器（Voltage-Sourced Converter,VSC），根據(jù)電壓源換流器的理論，儲(chǔ)能逆變器的有功和無(wú)功功率可以在四象限運(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)與儲(chǔ)能逆變器間傳輸?shù)挠泄β实目刂?，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略。文中采用矢量控制策略，矢量控制策略又被稱作直接電流控制，其具有響應(yīng)迅速和控制精準(zhǔn)的特點(diǎn)，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良。根據(jù)式（1）所建立的dq坐標(biāo)系下的儲(chǔ)能逆變器數(shù)學(xué)模型，基于經(jīng)典的2 電平VSC 雙閉環(huán)控制理論，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能逆變器的控制策略，內(nèi)環(huán)采用dq解耦控制，可以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤dq軸電流參考值，外環(huán)則根據(jù)需要可以設(shè)置為定直流電壓、定有功功率等多種控制模式。

所設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能逆變器控制策略如圖2 所示，主要的控制目標(biāo)為：1）調(diào)節(jié)有功功率。將有功功率的給定值Pref與有功功率的實(shí)際值P的偏差經(jīng)過(guò)PI 控制器后，生成有功電流的參考值Idref，從而調(diào)節(jié)儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)間交換的有功功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)有功功率給定值Pref的跟蹤，最終使有功功率穩(wěn)定在給定值Pref上；2）控制無(wú)功功率。將無(wú)功功率給定值Qref與無(wú)功功率的實(shí)際值Q的偏差經(jīng)過(guò)PI 控制器后，生成無(wú)功電流的參考值Iqref，從而調(diào)節(jié)儲(chǔ)能逆變器并網(wǎng)點(diǎn)的無(wú)功功率，使其跟蹤無(wú)功功率給定值Qref，最終使無(wú)功功率穩(wěn)定在給定值Qref上。儲(chǔ)能逆變器的調(diào)制策略有多種，文中采用空間電壓矢量調(diào)制（SVPWM）方法。

圖2 儲(chǔ)能逆變器主回路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 基于RT-LAB的儲(chǔ)能逆變器的RCP平臺(tái)

基于RT-LAB 的儲(chǔ)能逆變器RCP 平臺(tái)的總體架構(gòu)如圖3 所示，由圖可見(jiàn)，整個(gè)RCP 平臺(tái)主要由三部分組成：RT-LAB 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)、儲(chǔ)能逆變器和儲(chǔ)能電池模擬器。

圖3 儲(chǔ)能逆變器RCP平臺(tái)

儲(chǔ)能電池模擬器是一款高精度高功率因數(shù)的可編程電源設(shè)備，其直流輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)快速，能量能夠雙向流動(dòng)，可模擬電池輸出特性（輸出能量），也可模擬電池輸入特性（電池儲(chǔ)能），其按照設(shè)定值輸出穩(wěn)定的直流電壓，然后接入儲(chǔ)能逆變器的直流側(cè)，儲(chǔ)能逆變器的三相交流側(cè)通過(guò)110/400 V 隔離變壓器接入380 V 供電電網(wǎng)。

儲(chǔ)能逆變器的控制算法在上位機(jī)上設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)完成后，下載到RT-LAB 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，RT-LAB 實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)通過(guò)I/O 接口與儲(chǔ)能逆變器連接來(lái)采集控制算法所需要交流電網(wǎng)側(cè)的三相交流電壓、交流電流、以及直流側(cè)的直流電壓、直流電流等信號(hào)，同時(shí)輸出PWM 控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)儲(chǔ)能逆變器的IGBT 開(kāi)關(guān)管，輸出DO 數(shù)字電平信號(hào)控制儲(chǔ)能逆變器并網(wǎng)斷路器的分合閘，使儲(chǔ)能逆變器按照給定的控制方式穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行。

儲(chǔ)能逆變器RCP 平臺(tái)的一次主回路設(shè)計(jì)如圖4所示，圖中輸入端子接入380 V 交流配電網(wǎng)，輸出端子接入儲(chǔ)能電池模擬器。儲(chǔ)能逆變器直流側(cè)緩沖電容選用4 200 μF，聯(lián)接變壓器采用Y/△接線方式，Y側(cè)額定電壓為400 V，△側(cè)額定電壓為110 V，變壓器Y 側(cè)通過(guò)主接觸器、輔助接觸器、軟啟電阻及并網(wǎng)斷路器接入380 V 交流電網(wǎng)，變壓器△側(cè)接入儲(chǔ)能逆變器，△側(cè)電感量為1.2 mH。

圖4 儲(chǔ)能逆變器RCP平臺(tái)一次主回路

3 儲(chǔ)能逆變器RCP平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)可以將圖形化的高級(jí)語(yǔ)言（MATLAB/Simulink）編寫(xiě)的控制算法下載到RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器，相比在嵌入式控制芯片上編寫(xiě)代碼實(shí)現(xiàn)控制算法的傳統(tǒng)方法而言，非常方便快捷。文中按照前述儲(chǔ)能逆變器的控制策略基于MATLAB/Simulink 搭建了相應(yīng)的控制模型，如圖5 所示。

圖5 儲(chǔ)能逆變器Simulink控制模型

儲(chǔ)能逆變器Simulink 控制模型的仿真步長(zhǎng)設(shè)置為100 μs，儲(chǔ)能電池模擬器輸出直流電壓設(shè)置為200 V，供電電網(wǎng)的電壓為380 V，PWM開(kāi)關(guān)頻率為5 kHz。

為了在100 μs的定步長(zhǎng)仿真中生成高精度的PWM波，文中采用了帶時(shí)間戳的PWM 波生成方法RTEvents，其PWM 的上升沿和下降沿事件分別帶有對(duì)應(yīng)事件發(fā)生時(shí)刻的時(shí)間戳信息，可以實(shí)現(xiàn)在定步長(zhǎng)仿真下精確捕捉PWM 波上升沿和下降沿事件，如圖6所示，從圖中可見(jiàn)，在定步長(zhǎng)仿真步長(zhǎng)下，傳統(tǒng)的Simulink 方法只能在仿真步長(zhǎng)開(kāi)始或結(jié)束的時(shí)刻捕捉PWM 的上升沿或下降沿，而對(duì)發(fā)生在仿真步長(zhǎng)內(nèi)的PWM 上升或下降沿則無(wú)法精確捕捉。相比較而言，RT-Events 由于采用了時(shí)間戳方法，其可以精確地捕捉到發(fā)生在仿真步長(zhǎng)內(nèi)的PWM 上升或下降沿事件，能夠提高PWM 控制的效果。

圖6 PWM波生成方式對(duì)比

將RCP 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上電后，實(shí)驗(yàn)工況設(shè)定如下：有功功率給定值設(shè)為0.2 pu（功率基值為20 kVA，交流電網(wǎng)側(cè)電壓基值為380 V），無(wú)功功率給定值為0。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7 所示，其中，第一幅圖為網(wǎng)側(cè)電壓波形，其幅值為1 pu，第二幅圖為網(wǎng)側(cè)電流波形，其幅值為0.2 pu，第三幅圖為直流電壓波形，直流電壓值為200 V，由圖7可見(jiàn)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，控制效果良好。

圖7 網(wǎng)側(cè)電壓、電流、直流側(cè)電壓波形

4 結(jié)論

該文基于RT-LAB 設(shè)計(jì)搭建了儲(chǔ)能逆變器的快速控制原型實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)能逆變器的控制策略，并在該RCP 平臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了良好的效果。該平臺(tái)能夠方便快捷地對(duì)控制策略進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于設(shè)計(jì)與優(yōu)化儲(chǔ)能逆變器控制算法，提高產(chǎn)品性能，縮短開(kāi)發(fā)周期具有重要的意義，為研發(fā)人員提供了一種可靠有效的驗(yàn)證手段。