基于IEC 61499标准的分布式配网光伏逆变器层级控制与联合仿真实现

许泰峰，王彦波，孙一鸣，张烨华

(1.易源士创信息科技(南京)有限公司，南京 210000；2.国网浙江省电力有限公司信息通信分公司，杭州 310020)

0 引言

海量分布式新能源将在环保政策推进下将不断并入配电网中参与电力系统运行，以新能源为主体的新型电力系统也逐渐成形[1-3]。低压配电网一般呈辐射型拓扑结构，潮流方向由供电侧指向用电侧，在大量分布式光伏与终端负荷节点接入配网后，潮流呈现双向甚至更为复杂的流动趋势，由于光伏逆变器在不同光照条件下运行模式会发生改变，受此影响，多种因素交叠下电压越限问题愈发成为制约低压配网供电稳定性的主要风险。而分布式光伏将逐步规模化的落地在终端用户侧并接入配网运行，分布式与数量级两个主要特点决定了传统主站子站的协调控制模式无法满足分布式光伏电压控制模式的实际需求[4-6]；从电压频率调节、潮流控制、成本控制等角度，光伏逆变器十分需要层级控制等方法实现安全挂网运行[7]，必然导致大量上电气量数据源源不断产生，传统逆变器控制架构或平台均无法满足庞大电气量数据的接入与使用。IEC 61499标准[8]基于其前身IEC 61131-3扩展制定，是一种适用于分布式工业控制系统领域的建模标准，广泛应用于制造工厂与电机控制等领域。光伏逆变器常规下使用下垂控制方法计算控制量并传递至电压电流双环控制环节，进而通过SPWM调制波形式对逆变器阀进行底层控制。有必要将光伏层级控制过程与IEC 61499标准分布式平台等技术手段有机结合，IEC 61499标准功能块平台能有效解决现存分布式控制模式陈旧与数据接入处理难的问题[9]，有利于光伏不断涌入下的低压配网终端保证供电安全。

在光伏逆变器控制相关领域有大量的文献，但与功能块平台结合达成具体应用方面数量较少。文献[10-12]首先提出并详细阐释了适用于微网的层次控制模型及其各层次任务划分与功能，文献[13]进一步总结归纳了分布式能源分层控制的体系结构泛化定义与广阔应用范畴。文献[14]结合下垂控制理论从调压调频率关系角度认为分层控制对于系统电压与频率添加了多个控制路径，并细化了电压与频率的运行点以至达到更好的控制效果。文献[15]提出了在线计算一次电压控制器参考输入电压的逆变器分层控制算法。因IEC 61499标准本身就具有分布式控制的鲜明特点，文献[16-17]提出使用功能块构建层级形控制结构并阐述了多个IEC 61499标准能够完成的层级式构建模型，为功能块层级控制应用提供了具体范式。文献[18]利用IEC 61499功能块平台实现了智能电力设备内下垂控制使能与相应电气数据传递的功能，但内部控制过程并未完整地通过功能块达成实现，限制了控制模式的数据接口，也无法容纳更大数量级的分布式能源进行灵活分布式控制算法部署。

1 原理方法

1.1 光伏逆变器下垂控制

1.1.1 逆变器数学模型

如图1所示为三相全桥电压源型逆变器拓扑结构与下垂控制主要环节[19-22]，VT1-6组成光伏逆变器电路结构，VDC为等效直流电源电压，引入电感Lf与电容Cf构成滤波电路，Rf作为小电阻串联至电容处防止滤波器振荡；iLa、iLb、iLc为滤波器输出电感电流；uoa、uob、uoc为逆变器输出电容电压即输出点电压；ioa、iob、ioc为逆变器输出到电网侧的输出电流。

图1 光伏逆变器电路与下垂控制主要环节示意图

经过Park变换为dq旋转坐标系下的状态方程列写如式(1)所示。

(1)

式中：iLd、iLq分别为滤波器dq轴输出电感电流；uod、uoq分别为逆变器输出的dq轴电容电压即输出点电压；iod、ioq分别为逆变器输出到电网侧的dq轴输出电流；s为微分算子。

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1.1.2 下垂控制原理

如图1所示为逆变器下垂控制结构框图，其主要过程是将实时电压电流转变为dq轴电压电流并计算实时功率，代入下垂控制曲线得出基于下垂控制特性的目标控制量，对于逆变器输出有功条件0≤P≤Pmax，无功条件-Qmax≤Q≤Qmax，下垂控制曲线的斜率由下垂系数确定，下垂系数计算公式如式(2)，下垂系数计算得出为U与f，并向dq旋转坐标系转换得出dq轴电压参考量，后输入电压电流双环控制过程，通过SPWM调制信号控制逆变器的出口电压。

(2)

式中：m、n为下垂系数；Pmax为逆变器最大输出有功功率；Qmax为逆变器最大输出有功功率；Umax、Umin分别为逆变器最大与最小电压。

1.2 IEC 61499标准

理想的分布式控制系统应具备以下功能特点来帮助使用者跨越分布式控制、分布式计算与通信连接等复杂技术细节产生的鸿沟：支持多平台使用、互操作性、支持并行计算、便捷的网络组态、数据格式的标准化等等。如图2所示，IEC 61499标准[8]基于IEC 61131-3标准中PLC功能块部分重新组织与构建，使用事件与数据流(event and data flow)抽象化分布式控制系统运行中的数据交换类型并对其建模，并基于高内聚、低耦合的设计思路使用功能块封装控制逻辑甚至是通信功能等，只需事件与数据接口一致，功能块(function block，FB)便可在多个场景、多个领域进行复用，实现了控制逻辑的可移植性。标准基于跨平台的特性并支持多种通信协议使不同系统、架构、性能的设备与IEC 61499平台建立网络通信，且以图形化编程帮助使用者从多线程应用中繁琐的线程调度与线程锁机制里解放，无需关注实现细节即可达成并行计算等复杂功能。

图2 IEC 61499分布式应用软件模型示意图

IEC 61499是以功能块作为实现形式的分布式实时控制系统框架，基础功能块(basic function block，BFB)与服务接口功能块(service interface function block，SIFB)是构建应用的基础单元，它们可通过相互连接组成更为复杂的复合功能块(composite function block，CFB)，在定义多层的分布式系统结构时，CFB也可能封装了多个CFB与BFB组成的FB网络而形成层级式的嵌套系统。使用FB技术将控制算法逻辑变得开放可编程且能方便地重新组态配置，兼容IEC 61499的设备之间可直接交互并无缝实现跨设备跨任务的分布式部署。IEC 61499内部以控制执行图(execution control chart，ECC)其实质为状态机(state machine)形式定义功能块对于输入事件与数据变化做出的反应。

2 层级控制与联合仿真

2.1 层级控制

2.1.1 分布式能源层级控制概念

适用于风机与光伏等分布式能源机组与逆变器等电力电子元件所组成微电网场景的层级控制参考了ISA-95(instrumentation, systems, and automation society)标准中的对象模型概念，划分成顶层、次级与底层的三级控制结构，各自功能为顶层控制微网与外部电网间的功率交换；次级控制补偿了底层控制过程产生的频率与电压幅值偏差，起到同步与恢复补偿的作用；底层控制常用下垂控制或加入虚拟阻抗的改进下垂控制方法对微网系统实现控制过程。微网系统中仅使用下垂控制的单一控制模式存在多种问题：1)并未考虑非线性负载产生的谐波电流；2)不同的负荷类型引起频率偏差和相位不一致；3)逆变器间的功率分配受系统输出阻抗与线路阻抗的影响。而采用层级控制在单一下垂控制基础上嵌套控制环节解决上述问题。

如图3所示，底层控制使用下垂控制方法，次级控制实际补偿底层控制产生的电压与频率偏差，底层控制在PCC(point of common coupling)位置采集计算得到有功功率和无功功率通过下垂曲线计算后向电流电压双环控制环节传递电压控制信号，次级控制与底层控制间联系的建立是通过对下垂曲线中参考频率fref和参考电压Uref信号建立PI控制过程的方式，如式(3)为频率与电压控制信号δf与δU，实现对PCC电压的跟踪和补偿功能。

图3 分布式能源层级控制方式示意图

(3)

顶层控制能够对并网模式下的微电网进行潮流控制，次级控制与底层控制间联系的建立是通过采集计算微网与外部电网连接处有功无功潮流对次级PI控制中参考频率f*和参考电压U*信号建立PI控制过程的方式，如式(4)所示。

(4)

2.1.2 IEC 61499标准与层级控制

在分布式控制平台对分布式能源应用层级控制，作为分布式能源逆变器控制模式与IEC 61499标准十分契合，体现为以下几点。

分布式能源逆变器控制方法应用于IEC 61499平台具有可行性，功能块设计概念具有灵活性，可通过多样组合满足多种算法流程的实现，包括迭代、循环、嵌套、并行等，同时事件数据流能够明确时序控制与数据传递，层级控制中的大量算法可得到有效实现。

层级控制概念本身层次清晰，层级间接口定义明确，基于IEC 61499中功能块间实现逻辑与事件数据流数据传输方式，可从数据传输与时序角度清晰描述或达成不同层次控制间的连接关系。

IEC 61499标准基于其分布式平台的特点具有以下优势：帮助逆变器控制算法的模块化与标准化，便捷地模块复用与模块替换使层级控制过程自由调整替换并提升重配置性；海量分布式能源运行后可经由标准支持的大量网络协议灵活接入/剥离控制过程，为台区间、地区间或更广域间电力设备间分布式控制算法的实现提供平台，与此相对传统主站子站模式无法满足分布式控制的需要；IEC 61499标准可配置于广泛的软硬件平台，其通用性为大量分布式能源交互控制实践提供条件。

2.2 联合仿真实现

基于IEC 61499标准的功能块平台构建控制器应用缺乏仿真平台帮助调整控制算法并验证控制效果的有效性，同时Simulink是常用的动态控制系统仿真工具，但其大量算法封闭、黑盒且难以进行实际部署。而在功能块平台与Simulink间建立通信桥梁并实现联合仿真，两者深度融合能够弥补功能块应用缺少仿真环境的劣势并为Simulink提供算法转移并实际部署的有效渠道，结合两者优势并利用丰富的控制环节功能与数据交互可能性可为更多电力领域应用提供空间。

2.2.1 Simulink 联合仿真

Simulink作为多领域应用仿真软件在电力电子仿真中具有快速部署、模型通用等优点，但作为商用软件其模型模块与数据均被封装无法直接使用，则由Simulink搭建光伏逆变器仿真环境，通过通信手段将Simulink仿真的电气量传递至IEC 61499功能块平台，基于功能块快速部署与数据便捷多平台传递的特点，可实现基于数据通信的控制器与算法外置型联合仿真，更因Simulink实时仿真数据的导出，可为系列应用解决了基础数据难以获取的问题，如图4所示。

图4 Simulink联合仿真通信方式示意图

而实现方式上，Simulink的模块库具有大量的功能性API，其中S-function模块可以通过m文件或是C/C++语言程序编译后实现特定自定义功能，而对于Simulink支持通用模型接口(functional mock-up interface, FMI)标准可与支持该标准的其他软件实现联合仿真，但大部分IEC 61499功能块应用平台并不支持FMI标准[23]。则需通过TCP/IP通信方式将仿真数据实时传递，而MATLAB/Simulink实现TCP/IP通信常规经由3种方式：1)通过MATLAB的tcpip基类构建m文件实现通信，但基类通过Java调用实现，难以运行于Simulink环境；2)通过操作系统本身TCP/IP通信的API构建C++文件编译后实现，但发送与接收数据结构运行于Simulink中易出现内存分配崩溃；3)通过其他网络库如ZeroMQ轻量级的消息队列库等实现TCP/IP通信。经过验证比对，选择使用ZeroMQ网络库编译的S-function模块来达成联合仿真中数据通信的功能，并在IEC 61499功能块平台搭建相应的服务接口功能块，如图5所示。

图5 TCP/IP通信服务接口功能块

2.2.2 功能块实现

由Simulink模块实现的下垂控制过程转而经IEC 61499功能块平台进行实现。常规可以直接重新编写相应功能块实现，也有文献认为可通过建立Simulink模块到IEC 61499功能块映射的方法自动化获得结果[24]，但后者方法受制于无法准确了解Simulink模块具体的实现细节，无法验证映射得到的功能块与原本功能意图是否一致，且Simulink仿真中存在仿真步长等数据，而与功能块间时序搭配也存在困难。

将Simulink中的下垂控制功能进行功能块化的实现，但因IEC 61499功能块以事件流与数据流作为通信基础，其数据传递本质是离散化过程，而Simulink可进行连续性变量仿真，如积分微分或传递函数等计算环节便无法直接在IEC 61499功能块平台实现，需将传递函数离散化后对于离散数据进行操作才能达成近似的目的，如表1所示典型的功能块与模块间映射关系，均需求对应不同的离散化方法或者替代方法，显然无法将过于复杂的Simulink模块如传递函数离散化后放入IEC 61499平台使用。

表1 典型Simulink模型映射至功能块列表

3 算例

如图6所示，3台光伏逆变器容量分别为500 kW、300 kW与200 kW且下垂系数m为0.01、n为0.04，连接同一挂载负荷母线的孤岛网络作为算例。在底层控制范畴内，Simulink模型中将母线电压与电流测量值通过ZeroMQ通信模块传递至IEC 61499功能块平台，在经过功率计算、下垂控制、电压合成后，计算完毕将结果发回至Simulink通信模块，Simulink利用返回数据传递至电压电流双闭环控制过程。

如图7所示，利用双闭环控制结果产生参考电压Vref并转为PWM调制信号以施加对光伏逆变器的出口电压控制；在次级控制范畴内，微网控制器部分将PCC电压传递至IEC 61499平台，并对频率与电压基于额定值进行PI控制，将控制量作为参考量输入下垂控制功能块，以补偿对于底层控制产生的频率与幅值偏差，该联合仿真环节暂运用在光伏逆变器1中，整体Simulink构建模型如图6所示。

图6 光伏逆变器算例Simulink模型示意图

图7 电压电流双闭环Simulink模型示意图

而IEC 61499功能块平台侧层级控制的应用拓扑如图8所示。算例中，在时序为第1 s时发生负荷突增，下垂控制即底层控制在第3 s开始生效，次级控制于第5 s生效。

图8 层级控制功能块应用示意图

仿真结果如图9—10所示，在第1 s时负荷突增发生后，出口端电压发生骤降，电压不断波动通过底层逆变器电压电流双闭环控制维持电压，因控制过程出现静态误差较大、稳态振荡较大等现象；在第3 s下垂控制生效后，端电压得到有效控制，但仍然存在幅值偏差；在第5 s次级控制引入后，电压幅值偏差问题得到补偿。

图9 光伏逆变器有功、无功功率变化曲线图

图10 出口端PCC电压变化曲线图

IEC 61499功能块平台与Simulink进行联合仿真并结合光伏逆变器算例验证说明。

1)IEC 61499功能块平台适用并能够在配网中光伏逆变器场景作为可扩展性平台与控制器应用环境，结合功能块多平台、轻量级、重配置性强与开放自主可编程等特点，为电力设备层级式控制模式与完全分布式控制的实际部署解决软硬件与通信障碍。

2)IEC 61499功能块与Simulink通过ZeroMQ网络库建立通信并实现联合仿真，对功能块侧，能够有效验证功能块应用在仿真环境中作为控制器的控制效果；对Simulink仿真，提供了算法转移实际应用部署于电力设备上行之有效的渠道。两者的深度融合也可基于Simulink丰富的自动控制功能扩展电力设备控制环节的应用场景与可能性。

4 结语

基于分布式光伏在配网中渗透率不断增长尤其是终端光伏大量接入的背景下，层级控制作为光伏逆变器的有效电压控制方法但欠缺便捷有效地实现平台与框架，本文提出基于IEC 61499功能块平台构建层级控制应用。

因IEC 61499平台、分布式、轻量级、重配置性强、多平台的特点，构建下垂控制与层级控制功能验证算法可通过功能块平台实现，并构建与Simulink间的通信功能块，最后通过光伏逆变器孤岛电网算例实现了IEC 61499功能块平台与Simulink的联合仿真。分布式控制平台的引入帮助逆变器控制算法方便快捷地在电力设备中部署适应新型电力系统需求的应用，联合仿真功能更进一步提升了泛用性与功能性。在大量光伏逆变器间的协调控制算法与控制量分配方面，可以继续开展IEC 61499平台在实际现场的功能验证工作与适应分布式控制结构的优化分配方法方面的研究。