电气工程学报, 2019, 14(4): 85-92 doi: 10.11985/2019.04.013

基于RT-LAB的微电网运行控制硬件在环仿真

孙瑞松

中国能源建设集团安徽省电力设计院有限公司 合肥 230601

Hardware in the Loop Simulation on the Operation Control of Microgrid Based on RT-LAB

SUN Ruisong

China Energy Engineering Group Anhui Electric Power Design Institute Co., Ltd., Hefei 230601 China

收稿日期: 2019-05-7   网络出版日期: 2019-12-25

Received: 2019-05-7   Online: 2019-12-25

作者简介 About authors

孙瑞松,男,1993年生,硕士。主要从事新能源电站设计和新能源发电研究工作。E-mail：623666460@qq.com

摘要

近年来,包含风光燃等多种分布式电源的微电网得到快速发展,风光发电具有波动性、不确定性,且微电网可根据实际情况并网或孤岛运行,加大了微电网稳定、安全运行的难度。在RT-LAB中搭建了微电网仿真模型,在LabVIEW中编写一种以功率平衡为基础、保证电网运行方式平滑切换的运行控制策略,利用RT-LAB和PXI搭建了硬件在环平台,并对多种典型情况进行了仿真,仿真结果表明了搭建模型的正确性以及所提策略的有效性,为电力建设前期分析、设计提供了有效的仿真手段。

关键词： 微电网 ; 运行控制 ; 硬件在环

Abstract

In recent years, the micro-grid which including wind, solar, gas, and so on has developed rapidly. Wind and solar power generation is volatile and uncertain, and the microgrid can be connected to the grid or run on an island according to the actual situation, which increases the difficulty of stable and safe operation of the microgrid. A simulation model of microgrid is built in RT-LAB. A running control strategy based on power balance and smooth switching of power grid operation is written in LabVIEW. The hardware in the ring platform is built with RT-LAB and PXI, and several typical cases are simulated. The simulation results show the correctness of the model. As well as the effectiveness of the proposed strategy, it provides an effective simulation tool for analysis and design of power construction.

Keywords： Microgrid ; operation control ; hardware in the loop

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本文引用格式

孙瑞松. 基于RT-LAB的微电网运行控制硬件在环仿真. 电气工程学报[J], 2019, 14(4): 85-92 doi:10.11985/2019.04.013

SUN Ruisong. Hardware in the Loop Simulation on the Operation Control of Microgrid Based on RT-LAB. Journal of Electrical Engineering[J], 2019, 14(4): 85-92 doi:10.11985/2019.04.013

1 引言

当前,多种分布式微电源组成的微电网逐步发展,成为新能源电站的发展趋势[1,2]。风光作为最常见的可再生能源,具有波动性、不确定性等特点,且随着供需关系的变化,微电网运行方式需要能够在并网和孤岛之间平滑切换,切换过程中会产生冲击电流,这给微电网安全运行带来了困难,也对微电网建设前期设计提出了更高的要求[3,4]。

硬件在环仿真,又称半实物仿真,它是一种利用仿真模型代替部分系统硬件的仿真方法。它一方面使仿真过程更加贴合实际情况,提高了仿真结果的可信度,另一方面较大程度地减少了仿真过程程序编写的工作量。

从目前各领域研究成果看,硬件在环仿真在过程控制、汽车、电机驱动、航空航天等领域发挥着重要作用,提高了相关仿真精度[5,6,7,8]。文献[9]利用硬件在环进行了风力发电的仿真,取得了较好的效果。但目前尚且没有应用到微电网的仿真分析中。

本文的主要目的是将RT-LAB半实物仿真平台应用到微电网的仿真分析中,以提高微电网仿真的精确性,提供更实用的仿真方法,更好地为微电网建设前期分析、设计服务。

2 微电网运行控制模型

2.1 微电网结构

本文采用包含风机、光伏、燃气轮机、蓄电池储能和交流负荷的典型结构微电网为基础进行研究,典型微电网结构如图1所示。

图1

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图1   典型微电网结构图


如图1所示是微电网的系统构架,该微电网通过静态开关与关口表,实现微电网与大电网在并网模式、离网模式或模式间切换等不同情形下运行,并记录功率流量。

2.2 微电网运行控制策略

目前微电网都是并网运行,为研究运行状态的平滑切换,本文设置微电网在极少数时候需采用孤岛运行模式,需要具备孤岛运行以及平滑切换的能力。本文从保证微电网系统实时功率平衡和重要负荷不断电的目的以及经济安全的原则出发,设计如图2所示的微电网运行控制策略[10,11,12]。

图2

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图2   孤岛模式(左)和并网模式(右)微电网运行控制策略


如图2所示,两图分别为微电网在并网和孤岛模式下运行控制策略,图中所提到从大电网购电,是考虑到微电网发展成熟后,由微电网运营方和用户签订供需协议后,微电网发电不足时,从电网购电满足用户需求的情况。

3 硬件在环平台构建

3.1 RT-LAB简介

RT-LAB实时仿真平台是Opal-RT公司开发的基于模型的工程设计和测试仿真平台。应用RT-LAB仿真平台可以进行实时仿真、快速控制原型和硬件在环测试。它独特之处在于可以把复杂的系统模型简化分解成多个并行执行的子系统模型,再把这些子系统模型分配到多个目标机节点(或CPU)上,从而构成一个可伸缩的分布式并行实时仿真系统。系统结构如图3所示。

图3

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图3   RT-LAB实时仿真器框架


一台运行Windows 7或者Windows 10操作系统、安装Matlab/Simulink和RT-LAB等软件,完成仿真模型搭建、在线仿真调整参数及实时信号监控等工作的电脑,称为主机(Host PC)或上位机。另一台运行QNX/Redhat实时操作系统,完成模型分布式实时计算的电脑,称为目标机(Target PC)或下位机。

3.2 RT-LAB软件使用流程

基于RT-LAB的实时仿真系统对象建立流程如图4所示。

图4

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图4   RT-LAB使用流程


如图4所示,在Simulink中搭建完成仿真模型,验证满足要求后,按照RT-LAB平台规则,划分SM_子系统和SC_子系统模型,离线运行无误后,通过C代码编译、代码生成等步骤转换为可以在实时仿真集中运行的代码,代码编译正确后,即可进行节点分配,然后下载模型,进行仿真。

3.3 基于RT-LAB的微电网仿真模型

本文在Simulink中建立了如图5所示的包含风、光、燃、储的典型微电网仿真模型,并在RT-LAB中完成了子系统的划分与封装。

图5

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图5   微电网RT-LAB仿真模型


如图5所示,其中图5a为RT-LAB仿真模型的顶层系统;图5b为风、光、燃、储混合微电网的主电路仿真模型,该部分仿真模型位于SM_Microgrid子系统中。

3.4 基于LabVIEW的可视化操作界面

在LabVIEW中设计了微电网运行控制可视化操作界面,能够通过PXI模拟量输入板卡读取或者数字量输出板卡写入微电网仿真模型中的状态参数,从而更改相关单元运行状态。

如图6主界面所示,可视化操作面板主要包含微电网结构图示区域和功能控制区域,功能模块包括AI采集和DO输出模块,AI采集模块主要有出力数据、负荷数据、蓄电池信息和系统信息等四个子功能模块,DO输出模块主要有并离网控制、出力信息和切负荷等三个子模块。各个模块以及子模块视图可以通过选项卡功能键实现切换。

图6

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图6   主界面


AI采集主要采集负荷数据、分布式电源出力数据、蓄电池信息和系统相关信息。其中负荷数据包括重要负荷和不重要负荷需求量以及断路器开断信息;出力数据包括风机出力、光伏出力、蓄电池充放电功率和燃气轮机出力;蓄电池信息包括蓄电池SOC、蓄电池电压、电流以及相关出力数据;系统信息包括大电网断路器开断信息、系统频率和PCC点功率流量,以上信息都可以通过波形图表和数字两种形式显示。将AI采集到的数据,通过微电网运行策略进行处理,得到可控的方波数据,通过控制方波的占空比控制输出量。

DO输出包括并离网、出力信息和切负荷等三个子模块。其中,并离网操作主要通过控制输出方波的占空比,在Simulink模型中加以接收判别,实现对大电网断路器的控制,当占空比大于50%时,控制并网,小于50%则控制离网;同理蓄电池充放电也以此方法实现控制,当占空比大于50%时,控制放电,小于50%则控制充电;出力信息模块包括蓄电池充放电功率大小和燃气轮机出力大小,对应模块的总功率和占空比的乘积,即为实际的出力大小;切负荷操作,同样通过占空比和50%的大小关系,实现对不重要负荷断路器开断状态的控制。

3.5 基于LabVIEW的运行控制程序

结合前文所提运行控制策略,在LabVIEW中编写了运行控制程序,通过模拟通道采集数据,在循环结构中不断通过运行控制程序进行判断、计算、优化等处理后不断地将模拟量转换成数字量输出。LabVIEW编写的采集及运行控制程序如图7所示。

图7

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图7   LabVIEW能量管理程序


本程序能够实时、同时采集分布式电源出力、蓄电池SOC、负荷需求、断路器开断状态等14个通道模拟量信息,经过能量管理策略处理后,计算得出断路器开关状态、占空比等5个通道模拟量,并通过“模-数转换”模块输出5个通道数字量,从而对微电网系统运行发出指令。

3.6 微电网运行控制硬件在环平台

在Simulink中搭建了含风、光、燃、储等分布式单元以及不同投切优先级负荷的微电网实时仿真模型,并在RT-LAB中进行子系统划分,利用LabVIEW编写可视化操作界面和运行控制策略、NIPXI进行实时数据读取和输出,RT-LAB OP5600和PXI通过各自的数字量和模拟量通道实现通信和控制的交互。运行控制硬件在环结构如图8所示。

图8

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图8   硬件在环结构示意图


如图8所示,在主机中搭建Simulink模型,通过RT-LAB编译为C语言后,载入目标机,与此同时将微电网模型中14个通道模拟量通过模拟量输入板卡采集到目标机中,在能量管理策略控制下进行模拟量计算,将计算后的结果转换为数字量,通过数字量输出板卡上传到主机的微电网模型中,从而更改模型中相关单元的运行状态,实时变化的波形由示波器显示。微电网运行控制硬件在环实物图如图9所示。

图9

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图9   微电网运行控制硬件在环仿真平台


该硬件在环平台所需材料清单如表1所示。

表1   硬件在环相关材料

材料型号
软件NI LabVIEW 2012
驱动NI-DAQmx 12.0
硬件电脑一台、RT-LABOP5600一套、NI PXIe 5600(控制器型号)一套、示波器一台、连接线若干
操作平台Windows 7 或 Windows 10

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4 硬件在环仿真步骤

微电网运行控制硬件在环仿真步骤如下。

首先,利用RT-LAB OP5600的模拟量输出通道和PXI数据采集卡,采集仿真模型中分布式电源、蓄电池出力和负荷需求量、交流母线A相电压和蓄电池A相电流波形。由于模拟量输出通道电压幅值为[–5V,+5V],将输出量乘以相应系数进行缩小以保证在模拟通道的额定范围之内,相应的缩放系数如表2所示。然后,基于PXI的模拟量输入通道将相关模拟量传递给LabVIEW搭建的微网能量管理系统,并乘以相应系数还原为真实值进行处理,将计算结果(蓄电池的充放电功率、充放电指令、断路器的开关状态等)以不同占空比的PWM波的形式通过数字量输出通道反馈给RT-LAB OP5600。

表2   模拟量输出的缩放系数

模拟量输出对象缩放系数
风机有功1/8 000
光伏有功1/5 000
微型燃气轮机有功1/5 000
蓄电池有功1/8 000
蓄电池SOC1/10
重要负载有功1/5 000
可控负载有功1/5 000

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最后,利用“ML605EX1 EventDetector”模块读取PWM的占空比(可准确检测占空比[0,1]之间值),蓄电池的额定功率乘以占空比即为蓄电池的充放电功率;充放电指令的占空比大于50%放电,小于50%充电,断路器的状态控制方式与之相同。

5 硬件在环仿真验证

在搭建的微网能量管理系统实时仿真平台上分别孤岛模式、并网模式和离并网模式切换下,设置了环境变量波动、负载功率变化、功率调度指令更改等影响微网能量供需平衡的场景,以验证本平台和能量管理策略的有效性[13]。

5.1 孤岛模式下仿真波形

图10a为风速由8 m/s跳变为10 m/s情况下的交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、风机有功(CH3)、蓄电池有功(CH4)。图10b为光照强度由1 000 W/m2跳变为700 W/m2情况下的交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、光伏有功(CH3)、蓄电池有功(CH4)。图10显示了在环境条件变化后,交流母线电压仍然十分稳定。

图10

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图10   孤岛模式下环境变量变化的试验波形


图11a为可控负荷增加情况下的交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、蓄电池有功(CH3)、微型燃气轮机有功(CH4)。图11b为切除可控负荷情况下的交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、蓄电池有功(CH3)、微型燃气轮机有功(CH4)。图11显示了在负荷功率增加和减小后,蓄电池和微燃输出有功在经济运行控制策略下的变化状况。

图11

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图11   孤岛模式下负荷变化试验波形


5.2 并网模式下仿真波形

图12a为蓄电池放电功率指令增加情况下的交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、蓄电池有功(CH3)、微型燃气轮机有功(CH4)。图12b为微型燃气轮机有功指令增加情况下的交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、蓄电池有功(CH3)、微型燃气轮机有功(CH4)。两图表明蓄电池单元和微型燃气轮机在并网状态下都是良好的可调度单元。

图12

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图12   并网模式下功率变化试验波形


图13a为风速由8 m/s跳变为10 m/s情况下的交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、风机有功(CH3)、蓄电池有功(CH4)。图13b为光照强度由1 000 W/m2跳变为700 W/m2情况下的交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、光伏有功(CH3)、蓄电池有功(CH4)。两图显示了在环境条件变化后,交流母线电压仍然十分稳定。

图13

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图13   并网模式下环境变量变化的试验波形


5.3 并网/孤岛模式切换仿真波形

图14a为微电网由孤岛模式向并网模式切换情况下交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、并网/孤岛切换指令信号(CH3通道,“0”表示孤岛模式,“1”表示并网模式)、蓄电池有功(CH4)。图14b为微电网由并网模式向孤岛模式切换情况下交流母线A相电压(CH1)、蓄电池A相电流(CH2)、并网/孤岛切换指令信号(CH3通道,“0”表示孤岛模式,“1”表示并网模式)、蓄电池有功(CH4)。图14表明在微网能量管理系统的控制下,通过调节蓄电池单元的控制方式(PQ与V/F控制)可以实现微电网孤岛模式和并网模式间的平滑切换。

图14

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图14   模式切换的试验波形


6 结论

本文针对包含风光燃的典型微电网,首先,在Simulink中搭建了仿真模型,并在RT-LAB中进行了子系统的分割和封装;其次,在功率平衡为基础、经济安全的前提下提出运行控制策略,并在LabVIEW中编程实现,同时在LabVIEW中搭建了可视化操作界面;然后,利用RT-LAB半实物仿真平台、LabVIEW、PXI构建了微电网运行控制硬件在环平台;最后,进行了风速变化、光照强度变化、负荷变化、蓄电池放电变化、燃气轮机出力变化以及运行模式切换等多种情况的仿真。仿真结果表明了搭建模型的正确性、所提策略的有效性以及硬件在环平台的高效性,为微电网建设前期分析、设计提供了新的仿真手段。

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