新能源并网控制器测试仿真平台及设计实现研究

刘召杰，管必萍，戴人杰，黄浩

（1.国网上海能源互联网研究院有限公司，上海，201210；2.国网上海市电力公司，上海，200122）

1 新能源并网控制器仿真测试平台解决方案

目前国内外常用的半实物半数字仿真系统解决方案有以下几种[6]:第一种是基于RT-LAB实时仿真系统的半实物仿真仿真解决方案;第二种是基于dSPACE实时仿真系统的半实物仿真解决方案。RT-LAB是由加拿大Opal-RT公司开发的基于Matlab/simulink仿真工具的实时仿真系统，它主要由上位机、目标机和仿真硬件构成，上位机安装1ZT-LAB软件，软件中含有Matlab/simulink仿真工具，搭建所需模型，并划分子系统，编译执行代码，下载到目标机，而目标机运行QNX或Linux实时操作系统，进行分布式协调计算，最终实现仿真系统实时运行。dSPACE是由德国dSPACE公司开发研制，主要由硬件系统和软件环境两部分组成。硬件方面主要是中央处理器为主，其以高性能著称，还有输入输出板卡对信号进行输出和采集，配套软件可以高质量的完成控制系统设计所有功能，可进行建模仿真、离线分析和实时仿真，由于其拥有多种I/O接口，用户可进根据需求进行相应组合。

然而随着控制技术的发展，控制系统的被控设备的越来越复杂，种类越来越丰富，上述半实物仿真系统硬件方面无法实现其全部功能，另外，控制系统的复杂化智能化使Matlab/simulink仿真模型复杂程度增加，仿真平台灵活性相对变差，有时需增加成本和开发周期。

通过对上述两种半实物仿真系统解决方法的研究和分析，本文采用软件平台模拟电网、本地负载、并网逆变器及并网变压器等，运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，通过I/O接口与被测的并网控制器连接，构成完整的并网控制器测试系统，对被测控制器进行全面系统的测试。新能源并网控制器测试方案结构框图如图1所示。

图1 并网控制器测试仿真方案框图

2 新能源并网控制器仿真测试平台设计原理

新能源的能量一般能转化为直流电能，逆变器将直流电能逆变成正弦交流电经过滤波器滤波和变压器变换电压，最后将交流电能传输到交流电网中。新能源并网发电系统一般包括新能源、并网逆变器、滤波器和电网等。

新能源与电网之间的联系实质上是两者之间电功率交换，因此可以使用软件模拟新能源发电机组与电网相连状态，如果仿真状态下，并网系统能够接受控制器指令，并根据指令并模拟新能源与电网之间的功率交换，那么该状态就与新能源对电网产生的作用相同。

基于以上原理，本文提出并网控制器测试仿真平台基于硬件在环实时仿真技术而设计，通过对新能源并网系统（包括新能源机组、电网、电机控制系统、系统保护装置等部分）进行实时在环仿真，向并网逆变平台提供新能源实时输出功率控制信号，并网逆变器仿真单元接受控制信号并电网注入等效于新能源并网输出的功率，实现新能源系统接入电网的动态模拟过程。本文的测试仿真平台模块图如图2所示。

图2 测试仿真平台模块图

3 基于硬件在环的测试仿真平台设计

3.1 测试仿真平台物理架构

新能源并网控制器检测仿真平台物理结构主要由上位机监控系统，硬件在环实时仿真测试系统及被测控制系统三部分组成。

监控系统可由一台配有双屏显示功能的工作站及示波器组成。上位机工作站具有模型开发，试验管理，图形监控等功能，示波器可以直观的检测所需信号。

硬件在环实时系统是整个平台的核心。由一台实时仿真机组成，通过一台以太网交换机与上位机相连，同时通过交换机的多个网络接口可以实现后期的系统扩展。实时仿真机具有系统数学模型实时运行及实时I/O端口配置等功能，其中三相交流系统电网侧在实时仿真机的CPU中运行，而新能源逆变器则运行在FPGA上；同时，系统将变压器原边电感作为解耦元件，变压器原边模型运行在CPU上而变压器副边运行在FPGA上，以此实现CPU模型和FPGA模型的解耦。另外，实时仿真系统还包括与逆变器控制器，光电转换器，功率放大器，示波器等实现物理信号连接的功能：一方面，从I/O输出的数字信号机模拟信号输入到控制器中用于控制算法的计算；另一方面，控制器发出的新能源逆变器的各个受控模块的开关信号需要通过对应的数据链接传输给仿真机；对于需要通过光纤进行通讯的控制器需要额外配置对应的光电转换箱进行信号转换。

被测控制系统就是需要检测性能的新能源并网控制器。通过光电转换箱接收或者输出控制信号与仿真系统交互信息。

3.2 测试仿真系统功能设计

针对功率器件开关频率≤10kHz的新能源领域电力电子拓扑的仿真，可采用仿真平台专用的带插值补偿功能的电力电子功率器件和PWM脉冲驱动模型库，能实现20us步长的数字实时仿真及硬件在环实时仿真。

针对功率器件开关频率在10kHz至50kHz之间的新能源领域电力电子拓扑的仿真，可采用FPGA仿真开发工具来实现，借助FPGA仿真开发工具提供的模型库及算法，能实现电力电子拓扑的基于FPGA的2us步长的硬件在环实时仿真。解算一个包含电力电子拓扑映射结构和参数的网表模型，网表模型会生成一个*.mat文件，在模型运行时，CPU将网表模型生成的*.mat文件传送给FPGA，从而在FPGA上实现网表模型所搭建的电力电子拓扑。

电力电子拓扑的硬件在环仿真，将电力电子的功率电路在仿真器中模拟，运算结果从仿真器的IO口输出，输出信号与用户控制器对接，控制器执行控制算法，并输出控制信号给仿真器的IO口，仿真器对控制信号进行捕获并完成模型的实时解算。

以光伏逆变器为例，在CPU中搭建新能源逆变器并网主电路拓扑模型，将交、直流侧电压、电流，逆变器出口测电压电流等，经过模拟量输出板卡输出到光伏控制器中，控制器接收来自仿真器的模拟量，通过控制策略调制出PWM波再传输给仿真器，仿真器数字量输入板卡采集来自控制器的脉冲，驱动光伏逆变器工作，仿真结构如图4所示。

图3 新能源并网控制器检测仿真平台物理结构

图4 光伏半实物仿真系统图

图5 光伏仿真模型图

模型中，控制器主电路采用2-level/3-level TSB模拟三相逆变桥，网侧采用电网电压+变压器的形式，直流侧采用光伏板模型输出直流电压，采用LCL结构进行滤波。

由仿真结果可知，光伏阵列在0.5s启动MPPT控制后，控制器能够良好控制逆变单元自动调节输出电压的大小，直到达到最大功率点后保持输出电压恒定，同时输出最大功率。

4 小结

本文研究并设计了一种基于硬件在环并网控制器实时测试仿真实验平台，用于新能源并网控制器实时在环实验，以研究电网与并网设备间的互动。本文所提出的实验平台无需使用真实新能源，而是将新能源系统以模型的形式进行实时在环仿真，将所得的新能源电流信号输出给并网逆变系统，通过控制并网逆变器实现等效于新能源向电网注入电流的功能。

本实验平台只需改动实时仿真模型，无需更改硬件设备便可实现各种并网逆变器与电网的互动，成为全新的系统。由于无需真实并网设备，因而造价低廉，可大大节约资源，节省实验占地。