光伏模拟器半实物仿真平台设计与实验验证

2023-02-20陈永霞郝正航陈湘萍

实验室研究与探索 2023年11期

陈永霞，郝正航，陈湘萍，张靖，陈卓

（贵州大学电气工程学院，贵阳 550025）

0 引言

为解决能源危机与环境问题，我国正在不断加大可再生清洁能源的开发利用。太阳能以其取之不尽、物美价廉的优势备受青睐［1-3］。为研究光伏电源及其并网特性，需搭建满足各研究场景的光伏发电系统，在实际环境下光伏板研究其输出特性，不仅会耗费巨大的时间与物力资源，自然条件的随机性也会导致研究复现难度大，难以完成对光伏设备的全天候测试［4-6］。由此，光伏模拟器的研究应运而生。

目前，光伏模拟器的实验研究主要是集中在控制理论方面，理论研究成果的实验验证方法，大多文献是采取数字离线仿真方法［7-8］。也有少数研究是利用微型控制器来搭建模拟器，对成果进行实验验证［9-11］。相较于实时性强、耗资巨大的纯实物实验，离线仿真在成本与参数更改灵活性方面有着一定的优势，离线仿真具有非实时性，存在着无法实时模拟对象运行的实际场景这一缺陷，仅适用于学习和检验［12-13］。通过搭建模拟样机来验证研究成果，不仅对实验人员的编程能力有着严格要求，通用性能也比较差，开放程度不高，可扩展性较低。

鉴于以上问题，本文研发了一套控制模型在通用实时仿真器（universal real-time experimental platform，UREP）运行，并通过双核控制器样机对物理装置进行半实物仿真。这种仿真手段结合了离线仿真和物理模拟的优势，不仅能比较准确地模拟实际情况，降低实验成本，还有多种优势：在Simulink软件直接搭建控制数学模型即可直接下载编译到仿真机运行，无需嵌入式开发，并可随时更改光伏电池的工况参数，灵活性较高。实验平台并不拘泥于一个实验，在现有的基础硬件设施上，更改Simulink 软件的控制模型即可成为验证其他实验的仿真平台，通用性较高。

1 实验平台配置

本文所建光伏模拟器半实物仿真平台结构如图1所示。

图1 光伏模拟器半实物仿真平台结构

由图1 可知，平台包括：

（1）上位机。在基于框图化环境的Simulink软件搭建控制模型并实时监测实验运行状态。

（2）UREP实时仿真器。仿真器是实验平台极其重要的一环，通过以太网口与上位机通信并运行控制模型，兼顾发送控制指令和接收反馈信息的重要功能。

（3）双核控制器。控制器通过RS232-DB25 串口分别与UREP 实时仿真机及物理接口装置进行通信［14-15］。

（4）物理装置。由3 组电压可控的Ⅳ象限变流器组成，对该基础硬件设备进行合理化设计，可搭建更多类实验平台。

每组分配的资源：

（1）智能功率模块（Intelling Power Module，IPM）。集成了驱动电路、电路保护功能的IGBT 功率开关器件。

（2）交／直流侧电压霍尔传感器。采集2 路交流侧线电压，采集直流侧电压。

（3）电流传感器。3 路电流传感器，分别为1 路直流电流、2 路交流电流。

（4）LC滤波器。滤波电感取值为1 mH，电流峰值15A，滤波电容取值为4.7 μF，是一个低通滤波器。

2 控制器

2.1 控制器结构

如图2 所示，在双核控制器样机内置PWM 控制板卡和A／DC数据采集／转换板卡。

图2 双核控制器结构示意图

2 块板卡均采用双核技术，分别为DSP 和FPGA。DSP在控制器中起桥接作用，FPGA 分别起产生调制信号和控制A／DC同步采集的作用。

控制器有9 个端子：1～3 号端子分别对应A／DC采集／转换板卡的前、中、后18 路采集信号接口，一组18 路采集信号对应一套物理装置的电压电流信号；4～6号端子分别对应PWM控制板卡的前、中、后18 路PWM信号接口，一组18 路PWM信号对应一套物理装置的控制脉冲信号；7、8 号端口分别对应A／DC板卡和PWM板卡的局域网接口；9号端子为220 V电源接口。

控制器可同时控制3 套物理仿真接口装置，同时控制9 组Ⅳ象限变流器。在大量新能源通过电力电子装置接入电网的背景下，该实验平台有着很好的应用前景。

2.2 控制策略的实现

（1）光伏电池数学模型。根据文献［17-18］中得到光伏电池在标准测试条件下的数学模型

式中：U、I分别为光伏电池的输出电压和电流；Isc为短路电流；Uoc为开路电压；。其中：Um为最大功率点电压；Im为最大功率点电流。

若要计算一般情况下的数学模型，首先计算相对于标准情况下的温度差

以及光照强度差

式中：T为环境温度；S为光照强度；Tref、Sref分别为标准测试条件下的环境温度和光照强度。

根据标准情况下的参数计算出一般情况下的4 个参数：

式中：a＝0.002 5／℃；b＝0.5；c＝0.002 88／℃。

光伏电池在一般情况下的数学模型

经整理可得：

（2）电压、电流双闭环控制。如图3 所示，基于同步旋转坐标变换理论，对有功、无功电流进行解耦，采用电压、电流双闭环控制：将检测得到的负载侧电流Io，根据式（14）搭建U-I曲线，产生参考电压Uref，将其与负载侧采集到的电压Udc之间的差值通过PI控制产生有功电流参考值；无功电流给定值设为0，使得光伏模拟器工作于单位功率因数。内环控制将采集到的电网侧相电压、相电流利用派克变换分解得到有功分量的瞬时值ud、id以及无功分量的瞬时值uq、iq。便于后续控制实现电流、电压前馈控制，并利用PI 控制器实现由电流空间矢量到电压空间矢量的转换。基于双核控制器的控制要求，将控制回路最终产生的调制波缩小到［0，1］范围内，经空间电压矢量脉冲宽度调制（SVPWM）控制策略产生Ⅳ象限变流器的驱动信号。

图3 光伏模拟器控制原理框图

在整个控制回路中，需对电网电压进行锁相操作，实际电网并非是标准三相电源，常常伴有不平衡并含有谐波的情况。为能准确对电网电压进行锁相，降低锁相不准确给后续控制带来的不良影响，本文采用双广义积分锁相环（DSOGI-PLL）进行锁相操作。该锁相环不仅可快速、准确检测出不平衡电网电压的正序相位及频率，且具有良好的频率自适应性，能抑制一定的低次谐波［19-20］。

3 U-I曲线模拟原理

根据图3 中的控制原理框图所建控制模型通过UREP与控制器完成对物理接口装置中一组变流器的控制，使得变流器直流输出端子电压、电流呈光伏组件输出U-I特性曲线关系，由此便可实现对光伏电池组件的模拟。

光伏组件U-I曲线模拟原理如图4 所示。

图4 光伏组件U-I曲线模拟原理图

假设：模拟器输出端子接负载G1，且此时负载工作点为A点，流经负载的电流为Io，模拟器此时实际输出电压为Ua。由组件输出特性曲线可知，当电流为Io时，组件实际输出电压应是Uref。通过控制算法减小2 个电压之间存在的误差ΔU到一定的精度范围内，促使模拟器输出电压逼近Uref，就可实现模拟器工作点由A点到B 点的过渡，此时模拟器输出端电压、电流呈组件输出U-I特性曲线关系。在特定的环境温度及光照强度下，通过改变负载大小，可实现模拟器对于光伏组件输出特性的全部模拟。

4 实验方案及仿真效果

4.1 实验平台

光伏模拟器实验平台接线如图5 所示，包括上位机、UREP实时仿真器，双核控制器、物理接口装置、电网、变压器以及可调电阻箱。具体实现过程：在上位机Simulink软件依次完成光伏电池数学模型以及双闭环控制模型的搭建；将模型输出的控制信号通过以太网口传送给实时仿真器，实时仿真器通过RS232-DB25串口将控制信号发送给控制器；控制器通过RS232-DB25 串口将控制信号发送给物理接口装置同时实时反馈端子电压、电流数据，形成一个闭环控制回路。