基于NI PXI和cRIO的微電網(wǎng)仿真控制實驗平臺設(shè)計

王 慧, 王 毅, 孟建輝, 付 超

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室, 河北 保定 071003)

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基于NI PXI和cRIO的微電網(wǎng)仿真控制實驗平臺設(shè)計

王 慧, 王 毅, 孟建輝, 付 超

(華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室, 河北 保定 071003)

為開展微電網(wǎng)控制技術(shù)實驗教學(xué),設(shè)計了一種集開發(fā)和測試于一體的微電網(wǎng)仿真控制實驗平臺。該平臺由NI PXI、cRIO和上位機構(gòu)建而成。PXI部署微電網(wǎng)主電路及非重點關(guān)注單元的就地控制數(shù)字模型；本地cRIO部署重點關(guān)注單元的就地控制模型；遠程cRIO作為微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器；上位機則實現(xiàn)能量管理及人機交互功能,形成了一套多層次的微電網(wǎng)實時仿真及硬件在環(huán)控制系統(tǒng)。

微電網(wǎng)； 實時仿真； 分布式發(fā)電； NI PXI； cRIO

微電網(wǎng)是一種將分布式電源、儲能系統(tǒng)和負荷等有機整合的小型發(fā)、配、用電系統(tǒng)。目前,國內(nèi)很多科研院所建立了微電網(wǎng)物理仿真實驗平臺,但平臺的建設(shè)周期長、資金投入大,并且主要是為科研工作而量身定制,不適用于教學(xué)實驗。

隨著計算機輔助設(shè)計的發(fā)展,結(jié)合物理仿真和數(shù)字仿真優(yōu)點的快速控制原型(rapid control prototype,RCP)和硬件在環(huán)仿真(hardware in loop,HIL)技術(shù)應(yīng)用已日漸廣泛,在微電網(wǎng)實驗平臺建設(shè)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)建設(shè)方面取得了一些成果[1-3]。文獻[4]提出了一種微電網(wǎng)設(shè)計方案,微電網(wǎng)主電路與相關(guān)控制模型部署在實時仿真平臺RTDS,分布式電源控制系統(tǒng)和微電網(wǎng)運行與綜合監(jiān)控系統(tǒng)是真實的控制器,實現(xiàn)軟件和硬件結(jié)合的閉環(huán)仿真,但該方案采用了價格昂貴的RTDS和多個真實的控制器。

筆者基于美國NI公司的PXI(PCI eXtensions for instrumentation)和cRIO(compact reconfigurable input/output),設(shè)計了一種集開發(fā)和測試于一體的實驗平臺,形成了包含本地控制、協(xié)調(diào)控制和能量管理的多層次開發(fā)和測試體系。

1 微電網(wǎng)仿真控制實驗平臺設(shè)計

1.1 RCP和HIL概述

RCP技術(shù)是一種實時仿真技術(shù),適用于控制算法設(shè)計階段[5]。如圖1所示,通過上位機將控制算法下載到虛擬控制器,實時處理器通過I/O接口與被控對象實物相連并進行仿真,根據(jù)仿真結(jié)果對控制算法進行調(diào)整,直到滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。在確定控制算法后,通過自動代碼生成技術(shù)，將程序下載至實際控制器并形成產(chǎn)品。該開發(fā)方法能顯著縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本。

圖1 快速控制原型開發(fā)體系

HIL仿真系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。當(dāng)已完成控制系統(tǒng)設(shè)計并已制成樣品,需在閉環(huán)下進行詳細測試時,往往由于多種原因(如極限測試、失效測試或在真實環(huán)境中測試費用較高)而難以進行,于是需要在虛擬控制對象中仿真物理上并不存在的控制對象,從而全面驗證實際控制器產(chǎn)品質(zhì)量及控制算法可靠性[6]。

圖2 硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1.2 微電網(wǎng)實驗平臺設(shè)計方案

由RCP和HIL系統(tǒng)架構(gòu)可知,它們主要適用于微電網(wǎng)各單元本地控制系統(tǒng),當(dāng)用于微電網(wǎng)層級控制系統(tǒng)時,主要存在兩個問題:

(1) 采用單個控制器通過I/O接口控制微電網(wǎng)各單元,由于單元數(shù)量眾多,需要I/O模塊數(shù)量多并且接線復(fù)雜,會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響,并且這種控制方案不符合實際情況；

(2) 采用多個本地控制器通過I/O接口控制設(shè)備單元,一個協(xié)調(diào)控制器通過通信控制各設(shè)備單元,這種分布式控制系統(tǒng)能與現(xiàn)場保持一致,但系統(tǒng)建設(shè)成本過高,不適合大規(guī)模推廣應(yīng)用。

微電網(wǎng)控制是一個多層次的控制體系[7-8],實驗平臺將微電網(wǎng)主電路和非重點關(guān)注的就地控制系統(tǒng)部署在虛擬控制對象,重點關(guān)注的就地控制系統(tǒng)部署在控制器,能節(jié)省控制器資源、降低實驗平臺建設(shè)成本。

本文采用的微電網(wǎng)控制體系分為3層(見圖3)。

第一層部署在PXI和本地cRIO的微電網(wǎng)單元本地控制層,該層就地控制微電網(wǎng)中微電源、儲能系統(tǒng)和負載,實現(xiàn)微電網(wǎng)內(nèi)關(guān)鍵負荷的低頻、低壓減載等功能。

第二層是部署在遠程cRIO中的協(xié)調(diào)控制層,該層通過分析微電網(wǎng)中電壓、頻率等實時信息對微電網(wǎng)進行協(xié)調(diào)控制,提高電能質(zhì)量。

第三層是部署在上位機的能量管理層,該層以微電網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟運行為目標(biāo),根據(jù)功率預(yù)測、SOC(state of charge)狀態(tài)和負載情況擬定發(fā)電、儲能和用電最優(yōu)計劃,對分布式電源進行優(yōu)化調(diào)度、合理分配出力,實現(xiàn)微電網(wǎng)的優(yōu)化運行。

圖3 微電網(wǎng)實驗平臺設(shè)計方案

該實驗平臺貼近實際工程應(yīng)用,PXI和本地cRIO通過模擬和數(shù)字I/O硬連接,其他設(shè)備通過TCP/IP進行通信[9]。該平臺實現(xiàn)了微電網(wǎng)控制系統(tǒng)開發(fā)和測試一體化。當(dāng)開發(fā)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)時,可以在本地控制器、協(xié)調(diào)控制器和上位機上進行快速控制原型開發(fā)；當(dāng)測試微電網(wǎng)實際控制器質(zhì)量及算法可靠性時,可用實際控制器替代虛擬控制器進行硬件在環(huán)仿真測試。

2 微電網(wǎng)實驗平臺實現(xiàn)

隨著電網(wǎng)中風(fēng)電裝機容量的提高,風(fēng)電功率輸送、消納等并網(wǎng)問題已逐漸凸顯。將風(fēng)電與高耗能工業(yè)結(jié)合將成為未來解決風(fēng)電消納和降低工業(yè)生產(chǎn)成本的可行方案之一[10-11]。本文以風(fēng)電海水淡化孤立微電網(wǎng)為例,論述該實驗平臺的具體實現(xiàn)方法。

2.1 微電網(wǎng)建模

在PXI中建立的風(fēng)電海水淡化孤立微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖4所示,包括雙饋風(fēng)電機組、超級電容器、蓄電池組、海水淡化裝置、日常負荷,儲能系統(tǒng)的就地控制單元部署在本地控制器。海水淡化裝置是一種階梯可控負荷,可通過逐級啟停水泵等內(nèi)部設(shè)備調(diào)節(jié)負荷功率,在建模時采用背靠背雙PWM全控整流橋+異步電動機+反滲透單元的拓撲結(jié)構(gòu)模擬其負荷特性。

圖4 風(fēng)電海水淡化孤立微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

2.2 微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

微電網(wǎng)中雙饋風(fēng)電機組是主力分布式電源。為充分利用風(fēng)電資源,風(fēng)電機組長期處于捕獲最大風(fēng)能運行狀態(tài),特殊情況下才限制風(fēng)電出力。超級電容器采用壓頻控制，平抑較快的功率波動,蓄電池組采用定功率控制,每隔15 s更新一次功率參考值,平抑較慢的功率波動。儲能單元為主控單元,用于維持電網(wǎng)頻率、電壓的穩(wěn)定。海水淡化裝置參與系統(tǒng)功率協(xié)調(diào),保證系統(tǒng)在安全、穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,盡量減少儲能單元的容量配置。

微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制主要是有功控制,其輸入、輸出及約束條件如圖5所示。

圖5 cRIO協(xié)調(diào)控制器

cRIO實時采集風(fēng)電機組功率PWi、負荷功率PLi、儲能荷電狀態(tài)SOCCi和SOCBi等數(shù)據(jù),以負荷功率PL和儲能荷電狀態(tài)SOC為約束條件,根據(jù)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制算法下發(fā)指令PLo、PBo、Stop和Limit,階梯控制海水淡化裝置的功率、蓄電池組充放電、系統(tǒng)停機和限制風(fēng)電出力。具體過程如下[12]:

(1) 當(dāng)PW

(2) 當(dāng)PL

(3) 當(dāng)PL=PW時,系統(tǒng)功率平衡,儲能系統(tǒng)處于待機狀態(tài)。

2.3 微電網(wǎng)能量管理

微電網(wǎng)能量管理功能在上位機實現(xiàn)。針對包含風(fēng)電機組、儲能系統(tǒng)及海水淡化裝置的獨立微電網(wǎng)系統(tǒng),采用了基于風(fēng)速預(yù)測的微電網(wǎng)實時能量管理調(diào)度策略。該策略根據(jù)風(fēng)速預(yù)測結(jié)果和儲能系統(tǒng)狀態(tài),分析蓄電池組、風(fēng)電機組的損耗成本和海水淡化收益,制訂海水淡化負荷的投切計劃和風(fēng)機輸出功率的限制指令,從而在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)上,有效提高系統(tǒng)的總體收益。

3 實際運行效果

在新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室建立了如圖6所示的實驗平臺。微電網(wǎng)主電路及非重點關(guān)注單元就地控制的數(shù)學(xué)模型部署在PXI；重點關(guān)注單元就地控制程序部署在本地cRIO；協(xié)調(diào)控制程序部署在遠程cRIO；能量管理系統(tǒng)部署在上位機。各設(shè)備間硬線連接較少,使得接線變得相對簡單。

圖6 微電網(wǎng)實驗平臺

為方便用戶進行實驗,上位機人機交互界面設(shè)計了系統(tǒng)配置、實時監(jiān)控、實時曲線、事件記錄和歷史數(shù)據(jù)等5個功能模塊。

實時監(jiān)控界面如圖7所示。該界面包括實驗控制、統(tǒng)計信息、風(fēng)速預(yù)測和系統(tǒng)拓撲4個部分,其中系統(tǒng)拓撲部分顯示系統(tǒng)頻率、電壓、風(fēng)電出力、儲能出力、負荷等信息。為了提高程序的通用性,當(dāng)仿真模型的拓撲結(jié)構(gòu)變化時,可以在界面上靈活地增加或刪除元件,并實現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)自動映射。

圖7 上位機實時監(jiān)控界面

實時曲線界面有導(dǎo)出數(shù)據(jù)的按鍵,能導(dǎo)出協(xié)調(diào)控制下風(fēng)電機組、儲能系統(tǒng)和負荷的功率、荷電狀態(tài)等波形數(shù)據(jù)。

圖8為風(fēng)速降低時導(dǎo)出的波形:初始風(fēng)速6 m/s,風(fēng)電功率32.5 kW,5 s時風(fēng)速降為4 m/s,風(fēng)電機組出力快速減小,風(fēng)電功率已經(jīng)不能滿足負荷要求。此時,超級電容器在恒壓恒頻控制策略下開始放電,SOCC下降的同時減負荷運行,以緩解超級電容的壓力。由于風(fēng)電機組出力繼續(xù)降低,超級電容器持續(xù)放電(PC>0),導(dǎo)致SOCC跌落至40%左右。15 s時,蓄電池組根據(jù)此時風(fēng)電機組與負荷間的功率差額,更新功率參考值,由-12 kW變?yōu)?4 kW,分擔(dān)了超級電容器的調(diào)節(jié)壓力；PC快速恢復(fù)至接近于0,SOCC緩慢升高。

圖8 風(fēng)速降低時功率和荷電狀態(tài)變化趨勢

圖9為風(fēng)速增加時導(dǎo)出的波形:初始風(fēng)速5 m/s,風(fēng)電功率大致能滿足負荷要求,5 s時風(fēng)速增加,風(fēng)電機組出力快速抬升,風(fēng)電功率能滿足負荷要求并且富余。此時,超級電容器充電SOCC上升的同時增負荷運行。由于風(fēng)電機組出力繼續(xù)增加,超級電容器持續(xù)充電(PC<0),SOCC升高至80%左右。15 s時,蓄電池組更新功率參考值,由2 kW變?yōu)?9 kW,避免了風(fēng)電機組對超級電容器繼續(xù)充電；PC快速升高,并接近于0,SOCC緩慢下降。

實際運行效果表明,該實驗平臺符合現(xiàn)場實際情況,接線簡單、運行穩(wěn)定、界面友好,可以快速開發(fā)微電網(wǎng)控制系統(tǒng)原型,并測試實際微電網(wǎng)控制器質(zhì)量及算法可靠性,實驗教學(xué)效果良好。

4 結(jié)語

基于NI PXI和cRIO的微電網(wǎng)仿真控制實驗平臺,硬件由PXI、cRIO和上位機組成,軟件對應(yīng)微電網(wǎng)數(shù)字模型、本地控制器、協(xié)調(diào)控制器和能量管理系統(tǒng)。實際運行與控制實例表明,該實驗平臺接線簡單、運行穩(wěn)定、界面友好,是一種集開發(fā)和測試于一體的實驗系統(tǒng),為學(xué)生深入學(xué)習(xí)微電網(wǎng)控制技術(shù)提供了簡便、靈活的實驗平臺。

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Design of micro-gridsimulation and control experimental platform based on NI PXI and cRIO

Wang Hui, Wang Yi, Meng Jianhui, Fu Chao

(State Key Laboratory of Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electrical Power University, Baoding 071003, China)

In order to carry out the experimental teaching of micro-gridcontrol technology,an experimental platform for micro-grid virtual control is designed,which integrates the development and testing as a unity.This platform is composed of NI PXI,cRIO and host computer. The model of the micro-grid main circuit and the on-spot controlling numeral model of unimportant non-focusing units are deployed into PXI. Theon-spot control models of the important focusing units are deployed into the local cRIO, the remote cRIO device works as a coordinated controller and the functions of energy management and human-computer interaction are realized in the host computer, forming the loop control system with the multi-levels, real-time simulation and hardware of the micro-grid.

micro-grid; real-time simulation; distributed generation; NI PXI; cRIO

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.034

2016-05-12

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(13MS76)

王慧(1982—),男,湖北潛江,碩士,工程師,主要研究方向為電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用.

E-mail：wanghui@ncepu.edu.cn

TM614

A

1002-4956(2016)11-0139-04