基于NI PXI和cRIO的微电网仿真控制实验平台设计

王 慧, 王 毅, 孟建辉, 付 超

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室, 河北 保定 071003)



基于NI PXI和cRIO的微电网仿真控制实验平台设计

王 慧, 王 毅, 孟建辉, 付 超

(华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室, 河北 保定 071003)

为开展微电网控制技术实验教学,设计了一种集开发和测试于一体的微电网仿真控制实验平台。该平台由NI PXI、cRIO和上位机构建而成。PXI部署微电网主电路及非重点关注单元的就地控制数字模型；本地cRIO部署重点关注单元的就地控制模型；远程cRIO作为微电网协调控制器；上位机则实现能量管理及人机交互功能,形成了一套多层次的微电网实时仿真及硬件在环控制系统。

微电网； 实时仿真； 分布式发电； NI PXI； cRIO

微电网是一种将分布式电源、储能系统和负荷等有机整合的小型发、配、用电系统。目前,国内很多科研院所建立了微电网物理仿真实验平台,但平台的建设周期长、资金投入大,并且主要是为科研工作而量身定制,不适用于教学实验。

随着计算机辅助设计的发展,结合物理仿真和数字仿真优点的快速控制原型(rapid control prototype,RCP)和硬件在环仿真(hardware in loop,HIL)技术应用已日渐广泛,在微电网实验平台建设、微电网能量管理系统建设方面取得了一些成果[1-3]。文献[4]提出了一种微电网设计方案,微电网主电路与相关控制模型部署在实时仿真平台RTDS,分布式电源控制系统和微电网运行与综合监控系统是真实的控制器,实现软件和硬件结合的闭环仿真,但该方案采用了价格昂贵的RTDS和多个真实的控制器。

笔者基于美国NI公司的PXI(PCI eXtensions for instrumentation)和cRIO(compact reconfigurable input/output),设计了一种集开发和测试于一体的实验平台,形成了包含本地控制、协调控制和能量管理的多层次开发和测试体系。

1 微电网仿真控制实验平台设计

1.1 RCP和HIL概述

RCP技术是一种实时仿真技术,适用于控制算法设计阶段[5]。如图1所示,通过上位机将控制算法下载到虚拟控制器,实时处理器通过I/O接口与被控对象实物相连并进行仿真,根据仿真结果对控制算法进行调整,直到满足系统设计要求。在确定控制算法后,通过自动代码生成技术，将程序下载至实际控制器并形成产品。该开发方法能显著缩短开发周期并降低开发成本。

图1 快速控制原型开发体系

HIL仿真系统架构如图2所示。当已完成控制系统设计并已制成样品,需在闭环下进行详细测试时,往往由于多种原因(如极限测试、失效测试或在真实环境中测试费用较高)而难以进行,于是需要在虚拟控制对象中仿真物理上并不存在的控制对象,从而全面验证实际控制器产品质量及控制算法可靠性[6]。

图2 硬件在环仿真系统架构

1.2 微电网实验平台设计方案

由RCP和HIL系统架构可知,它们主要适用于微电网各单元本地控制系统,当用于微电网层级控制系统时,主要存在两个问题:

(1) 采用单个控制器通过I/O接口控制微电网各单元,由于单元数量众多,需要I/O模块数量多并且接线复杂,会对系统的稳定性造成影响,并且这种控制方案不符合实际情况；

(2) 采用多个本地控制器通过I/O接口控制设备单元,一个协调控制器通过通信控制各设备单元,这种分布式控制系统能与现场保持一致,但系统建设成本过高,不适合大规模推广应用。

微电网控制是一个多层次的控制体系[7-8],实验平台将微电网主电路和非重点关注的就地控制系统部署在虚拟控制对象,重点关注的就地控制系统部署在控制器,能节省控制器资源、降低实验平台建设成本。

本文采用的微电网控制体系分为3层(见图3)。

第一层部署在PXI和本地cRIO的微电网单元本地控制层,该层就地控制微电网中微电源、储能系统和负载,实现微电网内关键负荷的低频、低压减载等功能。

第二层是部署在远程cRIO中的协调控制层,该层通过分析微电网中电压、频率等实时信息对微电网进行协调控制,提高电能质量。

第三层是部署在上位机的能量管理层,该层以微电网系统经济运行为目标,根据功率预测、SOC(state of charge)状态和负载情况拟定发电、储能和用电最优计划,对分布式电源进行优化调度、合理分配出力,实现微电网的优化运行。

图3 微电网实验平台设计方案

该实验平台贴近实际工程应用,PXI和本地cRIO通过模拟和数字I/O硬连接,其他设备通过TCP/IP进行通信[9]。该平台实现了微电网控制系统开发和测试一体化。当开发微电网控制系统时,可以在本地控制器、协调控制器和上位机上进行快速控制原型开发；当测试微电网实际控制器质量及算法可靠性时,可用实际控制器替代虚拟控制器进行硬件在环仿真测试。

2 微电网实验平台实现

随着电网中风电装机容量的提高,风电功率输送、消纳等并网问题已逐渐凸显。将风电与高耗能工业结合将成为未来解决风电消纳和降低工业生产成本的可行方案之一[10-11]。本文以风电海水淡化孤立微电网为例,论述该实验平台的具体实现方法。

2.1 微电网建模

在PXI中建立的风电海水淡化孤立微电网拓扑结构如图4所示,包括双馈风电机组、超级电容器、蓄电池组、海水淡化装置、日常负荷,储能系统的就地控制单元部署在本地控制器。海水淡化装置是一种阶梯可控负荷,可通过逐级启停水泵等内部设备调节负荷功率,在建模时采用背靠背双PWM全控整流桥+异步电动机+反渗透单元的拓扑结构模拟其负荷特性。

图4 风电海水淡化孤立微电网拓扑结构

2.2 微电网协调控制

微电网中双馈风电机组是主力分布式电源。为充分利用风电资源,风电机组长期处于捕获最大风能运行状态,特殊情况下才限制风电出力。超级电容器采用压频控制，平抑较快的功率波动,蓄电池组采用定功率控制,每隔15 s更新一次功率参考值,平抑较慢的功率波动。储能单元为主控单元,用于维持电网频率、电压的稳定。海水淡化装置参与系统功率协调,保证系统在安全、稳定运行的基础上,尽量减少储能单元的容量配置。

微电网协调控制主要是有功控制,其输入、输出及约束条件如图5所示。

图5 cRIO协调控制器

cRIO实时采集风电机组功率PWi、负荷功率PLi、储能荷电状态SOCCi和SOCBi等数据,以负荷功率PL和储能荷电状态SOC为约束条件,根据微电网协调控制算法下发指令PLo、PBo、Stop和Limit,阶梯控制海水淡化装置的功率、蓄电池组充放电、系统停机和限制风电出力。具体过程如下[12]:

(1) 当PW

(2) 当PL

(3) 当PL=PW时,系统功率平衡,储能系统处于待机状态。

2.3 微电网能量管理

微电网能量管理功能在上位机实现。针对包含风电机组、储能系统及海水淡化装置的独立微电网系统,采用了基于风速预测的微电网实时能量管理调度策略。该策略根据风速预测结果和储能系统状态,分析蓄电池组、风电机组的损耗成本和海水淡化收益,制订海水淡化负荷的投切计划和风机输出功率的限制指令,从而在保证系统稳定运行的基础上,有效提高系统的总体收益。

3 实际运行效果

在新能源电力系统国家重点实验室建立了如图6所示的实验平台。微电网主电路及非重点关注单元就地控制的数学模型部署在PXI；重点关注单元就地控制程序部署在本地cRIO；协调控制程序部署在远程cRIO；能量管理系统部署在上位机。各设备间硬线连接较少,使得接线变得相对简单。

图6 微电网实验平台

为方便用户进行实验,上位机人机交互界面设计了系统配置、实时监控、实时曲线、事件记录和历史数据等5个功能模块。

实时监控界面如图7所示。该界面包括实验控制、统计信息、风速预测和系统拓扑4个部分,其中系统拓扑部分显示系统频率、电压、风电出力、储能出力、负荷等信息。为了提高程序的通用性,当仿真模型的拓扑结构变化时,可以在界面上灵活地增加或删除元件,并实现显示数据与模型数据自动映射。

图7 上位机实时监控界面

实时曲线界面有导出数据的按键,能导出协调控制下风电机组、储能系统和负荷的功率、荷电状态等波形数据。

图8为风速降低时导出的波形:初始风速6 m/s,风电功率32.5 kW,5 s时风速降为4 m/s,风电机组出力快速减小,风电功率已经不能满足负荷要求。此时,超级电容器在恒压恒频控制策略下开始放电,SOCC下降的同时减负荷运行,以缓解超级电容的压力。由于风电机组出力继续降低,超级电容器持续放电(PC>0),导致SOCC跌落至40%左右。15 s时,蓄电池组根据此时风电机组与负荷间的功率差额,更新功率参考值,由-12 kW变为14 kW,分担了超级电容器的调节压力；PC快速恢复至接近于0,SOCC缓慢升高。

图8 风速降低时功率和荷电状态变化趋势

图9为风速增加时导出的波形:初始风速5 m/s,风电功率大致能满足负荷要求,5 s时风速增加,风电机组出力快速抬升,风电功率能满足负荷要求并且富余。此时,超级电容器充电SOCC上升的同时增负荷运行。由于风电机组出力继续增加,超级电容器持续充电(PC<0),SOCC升高至80%左右。15 s时,蓄电池组更新功率参考值,由2 kW变为-9 kW,避免了风电机组对超级电容器继续充电；PC快速升高,并接近于0,SOCC缓慢下降。

实际运行效果表明,该实验平台符合现场实际情况,接线简单、运行稳定、界面友好,可以快速开发微电网控制系统原型,并测试实际微电网控制器质量及算法可靠性,实验教学效果良好。

4 结语

基于NI PXI和cRIO的微电网仿真控制实验平台,硬件由PXI、cRIO和上位机组成,软件对应微电网数字模型、本地控制器、协调控制器和能量管理系统。实际运行与控制实例表明,该实验平台接线简单、运行稳定、界面友好,是一种集开发和测试于一体的实验系统,为学生深入学习微电网控制技术提供了简便、灵活的实验平台。

References)

[1] 朱燕红,史美萍,谢海斌.dSPACE实验系统的开发与实验设计[J].实验技术与管理,2015,32(11):125-127.

[2] 杨达亮,卢子广,杭乃善,等.电力电子技术实验改革与实践创新平台建设[J].实验技术与管理,2013,30(8):171-174.

[3] 李光辉,何国庆,郝木凯,等.基于NI-PXI微电网多模式数模混合仿真平台的设计与实现[J].电力系统保护与控制,2015,43(20):107-113.

[4] 刘一欣,郭力,李霞林,等.基于实时数字仿真的微电网数模混合仿真实验平台[J].电工技术学报,2014,29(2):82-92.

[5] 泮斌峰.导弹制导系统快速原型研究[D].西安:西北工业大学,2007.

[6] 齐鲲鹏,隆武强,陈雷.硬件在环仿真在汽车控制系统开发中的应用及关键技术[J].内燃机,2016(5):24-27.

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[10] 张祥宇,王慧,樊世通,等.风电海水淡化孤立微电网的运行与控制[J].电力系统保护与控制,2015,43(4):25-31.

[11] 马林东,葛智平,张世才,等.基于高耗能企业参与电网内风电消纳的主动调峰技术[J].电力建设,2013,34(10):102-106.

[12] 付超,廖仰凯,樊世通,等.风储海水淡化孤立微电网运行与控制实时仿真试验研究[J].电力系统保护与控制,2015,43(14):41-47.

Design of micro-gridsimulation and control experimental platform based on NI PXI and cRIO

Wang Hui, Wang Yi, Meng Jianhui, Fu Chao

(State Key Laboratory of Electrical Power System with Renewable Energy Sources, North China Electrical Power University, Baoding 071003, China)

In order to carry out the experimental teaching of micro-gridcontrol technology,an experimental platform for micro-grid virtual control is designed,which integrates the development and testing as a unity.This platform is composed of NI PXI,cRIO and host computer. The model of the micro-grid main circuit and the on-spot controlling numeral model of unimportant non-focusing units are deployed into PXI. Theon-spot control models of the important focusing units are deployed into the local cRIO, the remote cRIO device works as a coordinated controller and the functions of energy management and human-computer interaction are realized in the host computer, forming the loop control system with the multi-levels, real-time simulation and hardware of the micro-grid.

micro-grid; real-time simulation; distributed generation; NI PXI; cRIO

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.034

2016-05-12

中央高校基本科研业务费专项资金项目(13MS76)

王慧(1982—),男,湖北潜江,硕士,工程师,主要研究方向为电力电子技术在电力系统中的应用.

E-mail：wanghui@ncepu.edu.cn

TM614

A

1002-4956(2016)11-0139-04