數字-物理混合仿真實驗平臺研發及應用

閆桂杭, 郝正航, 陳 卓, 徐玉韜, 張宏宇

(1. 貴州大學 電氣工程學院, 貴州 貴陽 550025；2. 貴州電網有限責任公司 電力科學研究院, 貴州 貴陽 550002)

數字-物理混合仿真實驗平臺研發及應用

閆桂杭1, 郝正航1, 陳 卓1, 徐玉韜2, 張宏宇1

(1. 貴州大學 電氣工程學院, 貴州 貴陽 550025；2. 貴州電網有限責任公司 電力科學研究院, 貴州 貴陽 550002)

針對電氣工程、自動化等專業的教學需求開發創新性實驗,以實時仿真器聯合開放變流系統設計了數字-物理混合仿真實驗平臺。利用實際光伏并網發生局部遮擋實驗,例證了該實驗平臺的正確性。該實驗平臺采用模塊化設計,可接入實際物理設備構成完整的閉環系統,具有開放程度高、通用性和實時性良好、開發和擴展靈活的特點,有利于培養學生和開發者獨立思考、創新研究和動手實踐的能力。

實時仿真； 開放變流系統； 半實物仿真

目前,許多電氣系統、自動化系統、信息與電子系統的實驗仍然基于軟件仿真或物理模擬兩種方法。完全基于實物搭建的物理模擬缺少改變模型參數的靈活性,限制了自由想象的空間[1-3]；而軟件仿真只用于學習和檢驗基本原理和算法,無法考慮樣機硬件系統如何實現,也無法模擬對象運行的真實場景[4-7]。

半實物仿真技術結合了軟件仿真和物理模擬的優勢,改進了傳統實驗教學方式和科研手段,在常規實驗和創新實驗中同時引入實時軟、硬件設備,同步運行環境,滿足現代控制系統、電氣與電子系統的高效、精確、快速的設計要求,有利于激發學生的靈感和創新意識。筆者結合科研實踐和教學實際,以培養研究型、創新性、能夠解決復雜工程問題的高級技術人才為目的,研究開發了數字-物理混合仿真實驗平臺。

1 實驗平臺整體設計目標

數字-物理混合仿真實驗平臺的設計目標是滿足智能電網和自動控制系統的實驗教學及科研創新項目實驗與驗證。該平臺集成了實時仿真器和開放變流系統，功能上達到如下要求:

(1) 提供開放式基本模塊庫,涵蓋電力系統及控制系統的基本元件,并提供基礎教學案例,方便實驗者和開發者自主修改模型參數、搭建系統模型,適應實驗室研發條件；

(2) 提供多組通用型功率接口,可同時接入多種交、直流電源及負載,用戶可自主設計物理模擬系統,自由搭建構思好的硬件電路,為用戶高效研發和擴展性實驗提供想象空間；

(3) 要求接口裝置功率能夠雙向流通,物理模擬對象既可能是發電設備,也可能是用電負載,滿足半實物仿真技術要求,適應開放型研究和測試性實驗模式；

(4) 提供完整的基礎硬件，具有測量模塊,可以接收物理仿真系統重要節點的反饋變量,實時監測物理系統動態特性；有足夠的輸入輸出通道用于驅動接口裝置和進行協調控制,方便使用者根據節點參數變量進行各個環節的實驗；

(5) 實驗平臺通用性好,不局限于某種或某類控制對象和實驗要求,能夠適用于智能電網、新能源發電和自動控制系統的基本實驗。

2 實驗平臺整體方案設計

數字-物理混合仿真實驗平臺由上位機、通用實時仿真器和開放變流系統3部分組成。

2.1 上位機

上位機是具備以太網通信條件的普通PC,能夠運行Matlab/Simulink軟件,用于控制系統和電力網絡建模。上位機通過以太網口與通用實時仿真器通信,傳遞控制指令信息,接收系統反饋變量和監控數據,實時監測并控制實驗運行狀態。

2.2 通用實時仿真器

通用實時仿真器(UREP)是自主研發的基于模型化的工程設計應用平臺,它主要包含多核處理器仿真主板、高速通信單元、智能I/O接口單元、協調優化硬件解算器、配套監控軟件平臺和實時操作系統,是實驗平臺的核心裝置之一。使用者可以直接利用Matlab/Simulink建立動態系統數學模型,經代碼轉換為C代碼后,編譯下載到實時仿真器內運行,進行實時數字仿真、半實物仿真及控制、測量與系統控制等。UREP具有快速控制原型(RCP)、功率級快速控制原型(PRCP)、硬件在環(HIL)和功率級硬件在環(PHIL)等4項基本功能,仿真步長最短可達30 μs,且可與開放變流系統無縫連接,構成完整的閉環系統,完全能夠滿足半實物仿真實驗的基本需求[8]。

用戶利用Simulink搭建所構想的控制系統模型,可快速編譯下載到仿真器內運行,省去繁瑣的嵌入式開發過程。配合實驗平臺監控系統,可根據實驗結果校驗實驗流程和仿真模型參數,發現原設計存在的問題并反復測試,最終得到合理、可行的仿真實驗系統。

2.3 開放變流系統

開放變流系統主要包括控制器、物理仿真接口裝置。控制器由PWM控制器、數模轉換器、輸入/輸出模塊構成；物理仿真接口裝置由模擬量傳輸模塊、功率放大器、電壓互感器、電流互感器、變流器、濾波電路組成。由于半實物仿真的物理側對象可以是各類交、直流電源或負載,因此接口裝置要求功率能夠雙向流通,故選用電壓可控的四象限變流器作為該實驗平臺的硬件接口裝置。該變流系統適應使用者的需求,既可以接入交直流電源,也可以接入交直流負載；變流器之間既可以相互獨立,又可以協同配合。

采用智能功率模塊(intelligent power module,IPM)將驅動控制、電路保護功能集成于IGBT功率器件,各橋臂對應的開關控制信號由PWM控制器提供。開放變流系統完全面向使用者,可根據實驗設計需求,自由搭建物理模擬系統。

3 數字-物理混合仿真

3.1 基本原理

數字-物理混合仿真結合了軟件仿真和物理模擬的優勢,通過在數字仿真系統中模擬控制電路或大規模電力系統,而在物理系統中接入硬件裝置模擬被控對象,將數字仿真和物理模擬相統一。文獻[9]分別從數學原理和電路原理的角度進行分析,得出實現數字模型和物理模型互聯的關鍵在于接口算法的結論。依據替代定理,數字模型和物理模型均可將對方端口網絡視為模型的一部分。通過接口裝置,將數字模型中端口電壓量(或電流量)用受控電壓源(或電流源)替代物理模型端口電壓(或電流),同時將物理模型中端口電流量(或電壓量)用受控電流源(或電壓源)接入數字模型端口,從而可實現離散條件下的數字仿真系統和實時條件下的物理模擬系統的組合與同步。

3.2 接口算法

實時仿真器聯合開放變流系統實驗平臺接口算法采用基于電路中替代定理的電壓型ITM(理想變壓器模型)算法,接口等效電路如圖1所示。

圖1 實驗平臺數字-物理接口等效電路

圖1中,R1為受控電流源的并聯電阻。在數字側接口處采用受控電流源來等效模擬物理系統,物理側使用受控電壓源的形式等效模擬數字系統。具體方法為:通過電流互感器,實測物理系統電流經模數轉換后得到反饋電流,該電流作為數字側接口受控電流源的控制電流；同時,采集數字側接口電壓標幺值為參考電壓,經數模轉換和PWM控制器脈寬調制,以開放變流系統中一組四象限變流器為功率接口進行功率放大,作為物理側接口實際電壓。

電壓型ITM算法原理簡單,易于實現,但仍存在接口穩定性和仿真精度欠佳的問題[9-11]。接口電路中數字量與模擬量的轉換具有一定的延時,即TADC、TDAC；以及功率接口存在的延時和帶寬限制TP是影響系統穩定性的主要因素。為分析接口電路特征,可將各環節總延時近似等效為一個延時環節[11-13],得到該算法的等效開環傳遞函數

(1)

其中,TVSC=TADCTDACTP=e-s td為總延時環節,td為延遲時間；假設Z1=R1+L1；Z2=R2+L2。

根據奈奎斯特穩定判據,電壓型ITM算法穩定的充要條件為

(2)

由式(2)可以看出：在接口電路中,數字側等值阻抗和物理側等效阻抗的大小是決定仿真穩定性的主要因素,且當L2>L1時系統穩定[13]。所以,為了提高實驗平臺的仿真穩定性,采用文獻[13]中提出的增加電感(HIA)法,即在物理側串聯一個合適的電感,來提高功率接口的穩定性。串聯電感值的設計是在盡量小地影響仿真精確性的前提下,大于系統臨界附加值,且使用者可根據實驗系統自行串聯合適的電抗器。

4 實驗平臺實用案例

4.1 基本結構

圖2為數字-物理混合仿真實驗平臺系統結構。通用實時仿真器與快速控制器通過以太網通信模塊互連,后者又與開放變流系統通過標準RS232-DB25串口互連,形成集軟件控制、硬件接入、監測反饋于一體的閉環控制系統。開放變流系統中含多組完整的變流裝置,直流側可接入直流電源或負載,交流側納入分布式電源及各種被控裝置,甚至可直接接入電網。

4.2 混合仿真分析

通過光伏并網后發生局部遮擋實驗可以觀測并網電流的動態變化,驗證本實驗平臺的正確性。利用實時仿真器聯合開放變流系統實驗平臺,搭建了光伏并網的數字-物理混合仿真實驗系統。在實驗平臺的基礎上,主要完成:

(1) 利用Simulink建立電網數字仿真模型,搭建光伏逆變器控制模型和接口電壓功率放大器控制模型；

(2) 用物理仿真接口中的一組變流器通過直流電壓變換器與光伏和儲能裝置并聯,作為光伏逆變器；

(3) 用物理仿真接口中另一組變流器通過交流電壓變換器與電壓控制信號并聯,作為數字系統接口電壓參考信號的功率放大器；

(4) 在2組變流器交流側之間串聯接入模擬線路阻抗和并網開關。

如圖3所示,采用通用實時仿真器運行大電網數字仿真模型,采集數字系統光伏并網點的三相電壓，通過接口電壓控制電路,經控制器將脈寬調制為PWM控制信號,傳送到變流器實現接口電壓的功率放大,實時同步接口電壓變化；同時通用實時仿真器運行光伏逆變控制程序,控制光伏逆變。

圖3 光伏并網數字-物理混合仿真系統結構

如圖4所示,在光伏逆變控制程序中,通過鎖相環模塊(phase locked loop,PLL)采集數字接口電壓的相位信息wt,將其作為并網前光伏逆變的初始相位。這樣,在并網前,經功率放大的接口電壓和光伏逆變電壓滿足每相間電壓幅值、相位、頻率一致,可直接并網,且并網時相間壓差小于1%。

圖4 光伏逆變器控制策略

在相位控制中疊加可調的功角偏量thera_add,并網后以新的相位信息wt+thera_add控制光伏陣列并網功率輸出,用于手動跟蹤光伏并網的最大功率點。實驗發生在2017-05-02T15:30,地點位于貴陽花溪地區。通過調控功角偏量thera_add由15°到20°再到25°變化,觀測并網電流變化趨勢如圖5(a)所示。當thera_add=25°時,并網電流穩態波形如圖5(b)所示,且諧波比小于2.4%。

圖5 手動調節功角偏量實驗下,并網電流波形

設計光伏電池板局部遮擋實驗,在光伏并網后,光伏逆變器以25°功角差向電網輸送功率,突然遮擋光伏電池板的1/4板面,并網電流發生如圖6所示變化:

從圖6可以看出,光伏并網之后,當光伏電池板發生局部陰影遮擋時,并網電流幅值明顯增大。

圖6 局部陰影實驗下,并網電流波形

在數字-物理混合仿真實驗平臺的基礎上搭建光伏并網數字-物理混合仿真實驗平臺,通過幾組實驗結果證明了混合仿真平臺的正確性,也驗證了實時仿真器聯合開放變流系統實驗平臺具有通用性且操作簡單、高效可靠，利于使用者開發創新性實驗的特點。

5 結語

數字-物理混合仿真實驗平臺的優勢在于實現了和Matlab/Simulink的無縫連接,仿真系統模型庫元件豐富，且支持用戶自由建模,適用于各種電網形態以及控制系統建模,省去了傳統嵌入式軟件開發過程。通用實時仿真器具有多個內核,計算能力強大、I/O通道充裕,支持各種電網結構下的現代控制技術的實驗研究；與開放變流系統無縫連接,可接入實際實驗設備，構成完整的閉環系統,其通用性、靈活性優于常規動模系統,可以在各類電網環境下研究新能源以及電力電子智能裝備的運行特性。該平臺可以完成在實際現場運行難以實現的擾動實驗,為物理裝置接入的電力系統動態特性研究提供了良好的基礎條件和驗證環境。

數字-物理混合仿真實驗平臺采用模塊化設計,具有開放程度高、通用實時性良好、開發和擴展靈活的特點,有利于培養學生的科研能力,方便師生在電氣領域開展自主實驗和創新研究。

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Development and application of digital-physical hybrid simulation experimental platform

Yan Guihang1, Hao Zhenghang1, Chen Zhuo1, Xu Yutao2, Zhang Hongyu1

(1. Electrical Engineering College, Guizhou University,Guiyang 550025, China；2. Electric Power Research Institute, Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China)

In view of the teaching requirements forthe electrical engineering, automation and other related specialities, an innovative experiment is developed, and a digital-physical hybrid simulation experimental platform is designed by a real-time simulator combined with an open converting system. By using the experiment of the actual photovoltaicgrid for the occurrence of the partial occlusion, the correctness of the experimental platform is illustrated.The experimental platform adopts the modular design which can be connected with the actual physical equipment to form a complete closed loop system. It has the characteristics of the high openness, good universality,good real-time performance, and flexible development and expansion. It can help students and developers to train their abilities for the independent thinking, innovative research and hands-on practice.

real-time simulation; open converting system; hardware-in-the-loop simulation

2017-05-10

國家自然科學基金項目(51467003,51567005)

閆桂杭(1992—),男,山東濟寧, 碩士研究生,主要研究方向為電力系統及其自動化

E-mail：1119533665@qq.com

郝正航(1972—),男,河南開封,博士,教授,博士生導師,主要研究方向為電力系統穩定、風力發電.

E-mail：haozhenghang@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.033

TM743

A

1002-4956(2017)12-0138-04