光伏模擬器半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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(yáng) 550025）

0 引言

為解決能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)正在不斷加大可再生清潔能源的開(kāi)發(fā)利用。太陽(yáng)能以其取之不盡、物美價(jià)廉的優(yōu)勢(shì)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(chǎng)景的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在實(shí)際環(huán)境下光伏板研究其輸出特性，不僅會(huì)耗費(fèi)巨大的時(shí)間與物力資源，自然條件的隨機(jī)性也會(huì)導(dǎo)致研究復(fù)現(xiàn)難度大，難以完成對(duì)光伏設(shè)備的全天候測(cè)試［4-6］。由此，光伏模擬器的研究應(yīng)運(yùn)而生。

目前，光伏模擬器的實(shí)驗(yàn)研究主要是集中在控制理論方面，理論研究成果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，大多文獻(xiàn)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(lái)搭建模擬器，對(duì)成果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［9-11］。相較于實(shí)時(shí)性強(qiáng)、耗資巨大的純實(shí)物實(shí)驗(yàn)，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(shì)，離線仿真具有非實(shí)時(shí)性，存在著無(wú)法實(shí)時(shí)模擬對(duì)象運(yùn)行的實(shí)際場(chǎng)景這一缺陷，僅適用于學(xué)習(xí)和檢驗(yàn)［12-13］。通過(guò)搭建模擬樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證研究成果，不僅對(duì)實(shí)驗(yàn)人員的編程能力有著嚴(yán)格要求，通用性能也比較差，開(kāi)放程度不高，可擴(kuò)展性較低。

鑒于以上問(wèn)題，本文研發(fā)了一套控制模型在通用實(shí)時(shí)仿真器（universal real-time experimental platform，UREP）運(yùn)行，并通過(guò)雙核控制器樣機(jī)對(duì)物理裝置進(jìn)行半實(shí)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(shì)，不僅能比較準(zhǔn)確地模擬實(shí)際情況，降低實(shí)驗(yàn)成本，還有多種優(yōu)勢(shì)：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(jī)運(yùn)行，無(wú)需嵌入式開(kāi)發(fā)，并可隨時(shí)更改光伏電池的工況參數(shù)，靈活性較高。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并不拘泥于一個(gè)實(shí)驗(yàn)，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(yàn)證其他實(shí)驗(yàn)的仿真平臺(tái)，通用性較高。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)配置

本文所建光伏模擬器半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏模擬器半實(shí)物仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

由圖1 可知，平臺(tái)包括：

（1）上位機(jī)。在基于框圖化環(huán)境的Simulink軟件搭建控制模型并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)行狀態(tài)。

（2）UREP實(shí)時(shí)仿真器。仿真器是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)極其重要的一環(huán)，通過(guò)以太網(wǎng)口與上位機(jī)通信并運(yùn)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?？刂破魍ㄟ^(guò)RS232-DB25 串口分別與UREP 實(shí)時(shí)仿真機(jī)及物理接口裝置進(jìn)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(duì)該基礎(chǔ)硬件設(shè)備進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，可搭建更多類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

每組分配的資源：

（1）智能功率模塊（Intelling Power Module，IPM）。集成了驅(qū)動(dòng)電路、電路保護(hù)功能的IGBT 功率開(kāi)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(gè)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(jī)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(hào)和控制A／DC同步采集的作用。

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

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

2.2 控制策略的實(shí)現(xiàn)

（1）光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型。根據(jù)文獻(xiàn)［17-18］中得到光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)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(kāi)路電壓；。其中：Um為最大功率點(diǎn)電壓；Im為最大功率點(diǎn)電流。

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

以及光照強(qiáng)度差

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

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)情況下的參數(shù)計(jì)算出一般情況下的4 個(gè)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(duì)有功、無(wú)功電流進(jìn)行解耦，采用電壓、電流雙閉環(huán)控制：將檢測(cè)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(guò)PI控制產(chǎn)生有功電流參考值；無(wú)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(shí)值ud、id以及無(wú)功分量的瞬時(shí)值uq、iq。便于后續(xù)控制實(shí)現(xiàn)電流、電壓前饋控制，并利用PI 控制器實(shí)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(dòng)信號(hào)。

圖3 光伏模擬器控制原理框圖

在整個(gè)控制回路中，需對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相操作，實(shí)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(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，降低鎖相不準(zhǔn)確給后續(xù)控制帶來(lái)的不良影響，本文采用雙廣義積分鎖相環(huán)（DSOGI-PLL）進(jìn)行鎖相操作。該鎖相環(huán)不僅可快速、準(zhǔn)確檢測(cè)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(guò)UREP與控制器完成對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)負(fù)載工作點(diǎn)為A點(diǎn)，流經(jīng)負(fù)載的電流為Io，模擬器此時(shí)實(shí)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(shí)，組件實(shí)際輸出電壓應(yīng)是Uref。通過(guò)控制算法減小2 個(gè)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(shí)現(xiàn)模擬器工作點(diǎn)由A點(diǎn)到B 點(diǎn)的過(guò)渡，此時(shí)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(qiáng)度下，通過(guò)改變負(fù)載大小，可實(shí)現(xiàn)模擬器對(duì)于光伏組件輸出特性的全部模擬。

4 實(shí)驗(yàn)方案及仿真效果

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

光伏模擬器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)接線如圖5 所示，包括上位機(jī)、UREP實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)過(guò)程：在上位機(jī)Simulink軟件依次完成光伏電池?cái)?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(hào)通過(guò)以太網(wǎng)口傳送給實(shí)時(shí)仿真器，實(shí)時(shí)仿真器通過(guò)RS232-DB25串口將控制信號(hào)發(fā)送給控制器；控制器通過(guò)RS232-DB25 串口將控制信號(hào)發(fā)送給物理接口裝置同時(shí)實(shí)時(shí)反饋端子電壓、電流數(shù)據(jù)，形成一個(gè)閉環(huán)控制回路。

圖5 光伏模擬器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.2 光伏組件輸出特性

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M12 個(gè)1So1 tech 1STH-215-P型號(hào)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(jiàn)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(qiáng)悍，將其SimPowerSystems元件庫(kù)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(kāi)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(shí)物仿真提供了良好的開(kāi)端。

4.3 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)平臺(tái)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(duì)所提光伏模擬器控制方案進(jìn)行仿真。

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

（1）T＝25 ℃。模擬測(cè)試光照強(qiáng)度分別為0.9、1和1.2 kW／m2時(shí)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(cè)試溫度分別為20 ℃、25 ℃和30 ℃時(shí)模擬器輸出特性如圖7（b）所示。

仿真結(jié)果分析：將實(shí)驗(yàn)工況1 的仿真結(jié)果與圖6進(jìn)行對(duì)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(kāi)關(guān)電源特性。

工況2當(dāng)模擬器在特定工況下運(yùn)行時(shí)突然改變模擬器中一個(gè)參數(shù)值來(lái)測(cè)試模擬器輸出特性。

（1）T＝25 ℃、S＝1.2 kW／m2。光照強(qiáng)度突然下降到1 kW／m2時(shí)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(shí)輸出特性曲線

（2）T＝25 ℃、S＝1 kW／m2。溫度突然上升到30℃時(shí)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(jì)模擬器可快速準(zhǔn)確地模擬環(huán)境突變時(shí)實(shí)際光伏電池輸出特性。

5 結(jié)語(yǔ)

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

（1）所設(shè)計(jì)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(jì)模擬器在工況突變時(shí)，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(jì)搭建的光伏模擬器半實(shí)物仿真平臺(tái)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(tái)可擴(kuò)展性較強(qiáng)，可用于主電路設(shè)計(jì)論證、控制策略測(cè)試、光伏并入電網(wǎng)研究等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。

知識(shí)就是力量，人才就是未來(lái)。我國(guó)要在科技創(chuàng)新方面走在世界前列，必須在創(chuàng)新實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)人才、在創(chuàng)新活動(dòng)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(huì)上講話