淺析智能電網(wǎng)不平衡狀態(tài)下的模擬評(píng)價(jià)

摘 要：本文介紹了智能電網(wǎng)在不平衡狀態(tài)情況下的一種模擬評(píng)價(jià)方法。文章通過(guò)模型的建立，對(duì)該模型的原理與方法的解釋，證實(shí)了該模擬方法的可行性。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng) 功率流 動(dòng)態(tài)模型 不平衡

中圖分類號(hào)：TM769 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（b）-0121-01

要整合更多的可再生能源進(jìn)入電網(wǎng)，就必須有更多的軟件控制和各級(jí)的穩(wěn)定電網(wǎng)。智能電網(wǎng)是能源存儲(chǔ)通常被稱為智能電網(wǎng)的關(guān)鍵組成部分之一，它可以通過(guò)不可控制的能量，例如風(fēng)能、核能來(lái)穩(wěn)定電網(wǎng)，使電網(wǎng)的適應(yīng)能力更強(qiáng)。如今，有很多技術(shù)可以應(yīng)用于能量?jī)?chǔ)存，包括超級(jí)電容器，飛輪，泵浦水電，燃料電池，電池等。但是這些裝置的共同點(diǎn)是需要可控制的電流介入電網(wǎng)。

本文的主題和重點(diǎn)是探尋這種轉(zhuǎn)換器下在常見(jiàn)的不平衡電網(wǎng)條件下，如電壓驟降，如何去的一種最優(yōu)的控制方法。本文采用一種數(shù)學(xué)模擬方法，找到一種合理的控制方法，使這種智能儲(chǔ)能元件可以在故障或者電壓不穩(wěn)等情況下發(fā)揮重要的作用，提高設(shè)備的效率與電網(wǎng)的性能。

1 PE系統(tǒng)中HIL的仿真問(wèn)題

由于高額定功率的硬件、系統(tǒng)復(fù)雜性連同電網(wǎng)擾動(dòng)的困難，長(zhǎng)時(shí)間里系統(tǒng)中斷開(kāi)部分的不現(xiàn)實(shí)性，支持智能電網(wǎng)的能量存儲(chǔ)測(cè)試是困難和昂貴的。最終系統(tǒng)測(cè)試的替代方法是建立一個(gè)小規(guī)模的原型，替代這個(gè)昂貴并且費(fèi)時(shí)間的原型，建立使用HIL的快速原型仿真工具。HIL仿真是指替代真正系統(tǒng)中的一個(gè)實(shí)時(shí)的仿真平臺(tái)系統(tǒng)。在真正系統(tǒng)中表達(dá)硬件的數(shù)學(xué)模型必須足夠詳細(xì)以真實(shí)的表現(xiàn)任何瞬間變化或錯(cuò)誤。PE設(shè)備包含了許多短時(shí)間內(nèi)控制的開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)行為使得電路變得高度非線性。由于這些原因，為了達(dá)到可接受的準(zhǔn)確度就要求仿真時(shí)間的計(jì)算最短化。傳統(tǒng)上，現(xiàn)有電腦很難達(dá)到較小的仿真時(shí)間步長(zhǎng)，因?yàn)槠溆?jì)算方法中沒(méi)有對(duì)PE應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，而且輸入/輸出（I/O）通信延遲高到無(wú)法接受。只有現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)可以同時(shí)提供超低延遲（ULL）和為PE設(shè)計(jì)的大規(guī)模并行處理需要的數(shù)字HIL仿真器組合。一個(gè)FPGA處理器可以專門(mén)針對(duì)特定的應(yīng)用定制高性能的現(xiàn)代HIL模擬器。然而，在FPGA上開(kāi)發(fā)模擬模型的主要問(wèn)題是需要廣泛的數(shù)字化設(shè)計(jì)知識(shí)、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)、FPGA設(shè)計(jì)知識(shí)和工具鏈認(rèn)證以及詳細(xì)的PE模型技術(shù)的理解。另外，F(xiàn)PGA技術(shù)的潛力已被認(rèn)識(shí)到，基于此技術(shù)的解決方案也被研究了。在本論文中，提出了一個(gè)滿足在嚴(yán)重不平衡電網(wǎng)條件下電網(wǎng)代碼要求的用于評(píng)價(jià)所提算法能力的通用ULL HIL平臺(tái)。在真實(shí)時(shí)間下FPGA平臺(tái)上整個(gè)硬件的仿真是在設(shè)定的1 μs時(shí)間步長(zhǎng)下進(jìn)行的。與其他可用的商業(yè)仿真平臺(tái)相比，ULL確保了高精確度和更好的瞬間響應(yīng)。實(shí)時(shí)仿真器與控制器通過(guò)低延遲的I / O接口板進(jìn)行交互。控制算法通過(guò)一個(gè)基于TMS320F2812的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)實(shí)現(xiàn)。該控制算法克服了以前算法的相應(yīng)弊端，為確定動(dòng)態(tài)模型提供了基礎(chǔ)。

2 建立混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型

PE系統(tǒng)本質(zhì)上是對(duì)非線性電路功率流的開(kāi)關(guān)控制，用以實(shí)現(xiàn)精確的定時(shí)開(kāi)關(guān)控制。PE系統(tǒng)是動(dòng)態(tài)持續(xù)時(shí)間和離散事件的有機(jī)結(jié)合，從而自然的建立起了一個(gè)的混合動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。這促使我們接受了自動(dòng)混合機(jī)（GHA）的模型框架，分段的線性動(dòng)態(tài)連續(xù)模型。PE電路可以用被動(dòng)元件（R，L和C），分段線性開(kāi)關(guān)，受控的電源流和一個(gè)獨(dú)立的電壓源來(lái)表示。模型需要用矩陣（1）和（2）來(lái)進(jìn)行計(jì)算模擬：

x（t）=Aqi x（t）+Bqi u（t） （1）

y（t）=Cqi x（t）+Dqiu（t） （2）

其中x（t）為連續(xù)狀態(tài)空間向量，y（t）輸出向量，u（t）為輸入向量。Aqi和Cqi為空間矩陣。該電路的任何離散狀態(tài)屬于有限的集合Q={q1…qm}，這個(gè)集合代表了接下來(lái)將定義的空間狀態(tài)。任何一個(gè)離散單元都對(duì)應(yīng)著唯一一個(gè)模型，除此之外，盡管空間與空間的轉(zhuǎn)換不是一一對(duì)應(yīng)的，任何一個(gè)離散單元都定義了向量的方向，可以轉(zhuǎn)換的離散單元可在相應(yīng)的書(shū)籍中進(jìn)行查詢。根據(jù)實(shí)際條件，線在書(shū)籍中進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)帶入上面兩個(gè)矩陣中，輸入向量后可以得到向量的方向與大小。使用該種數(shù)值分析方法，能夠消除直流母線電壓振蕩，以及大功率的振蕩，但是該模型目前不還辦法消除無(wú)功率情況下整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的震蕩。但是經(jīng)過(guò)與實(shí)際情況的數(shù)據(jù)對(duì)比，數(shù)據(jù)具有良好的擬合性，證明了基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型與實(shí)際情況基本吻合。

為了充分利用模擬方法，計(jì)算平臺(tái)在計(jì)算GHA時(shí)，要求可以進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，并且保證良好的時(shí)序和適用性。嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性要求便轉(zhuǎn)化為對(duì)超高速，確定性和可預(yù)見(jiàn)的時(shí)間模型的需求，以及內(nèi)存管理和I/O通信延遲的技術(shù)提高。為了解決這一問(wèn)題，我們采用了新的模型模擬系統(tǒng)，對(duì)不平衡狀態(tài)下電網(wǎng)的功率進(jìn)行有效的評(píng)價(jià)。

數(shù)字處理器包括一個(gè)陣列的標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程（SPC），它可以被認(rèn)為是GHA特定的，專門(mén)于應(yīng)用程序的處理器內(nèi)核。每個(gè)SPC都是可以編程的，解決了GHA子模型的參數(shù)化中的交換機(jī)數(shù)量方面的復(fù)雜性和被動(dòng)存儲(chǔ)元件的數(shù)量問(wèn)題。所有SPC同步操作，與此同時(shí)，每個(gè)人都可以訪問(wèn)其個(gè)人資源。數(shù)據(jù)通訊不再是難題，若連接延遲連接到外部電腦，會(huì)有一個(gè)專用的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)配置和回讀總線。

智能電網(wǎng)是建立在普通的物理電網(wǎng)基礎(chǔ)之上的，在技術(shù)過(guò)程中融合進(jìn)了流行的傳感技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)，能滿足用戶與廠家度電力的需求，同時(shí)環(huán)保節(jié)能，符合國(guó)家政策的要求，但是在模擬過(guò)程會(huì)產(chǎn)生諸多難題，例如模型的建立，可靠性的分析，與實(shí)際輕用電情況的比較等。該模型模擬在原理上基本克服了以上缺點(diǎn)，在理論與實(shí)踐中均有據(jù)可依，在將來(lái)的智能電網(wǎng)發(fā)展中必然占有一席之地。

3 結(jié)論

智能電網(wǎng)功率流模型的建立是可行、有效的。模型的計(jì)算需要理論完善，同時(shí)需要運(yùn)算速度的提升。PE模型在智能電網(wǎng)中還可以得到更廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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