数字-物理混合仿真实验平台研发及应用

闫桂杭, 郝正航, 陈 卓, 徐玉韬, 张宏宇

(1. 贵州大学 电气工程学院, 贵州 贵阳 550025；2. 贵州电网有限责任公司 电力科学研究院, 贵州 贵阳 550002)

数字-物理混合仿真实验平台研发及应用

闫桂杭1, 郝正航1, 陈 卓1, 徐玉韬2, 张宏宇1

(1. 贵州大学 电气工程学院, 贵州 贵阳 550025；2. 贵州电网有限责任公司 电力科学研究院, 贵州 贵阳 550002)

针对电气工程、自动化等专业的教学需求开发创新性实验,以实时仿真器联合开放变流系统设计了数字-物理混合仿真实验平台。利用实际光伏并网发生局部遮挡实验,例证了该实验平台的正确性。该实验平台采用模块化设计,可接入实际物理设备构成完整的闭环系统,具有开放程度高、通用性和实时性良好、开发和扩展灵活的特点,有利于培养学生和开发者独立思考、创新研究和动手实践的能力。

实时仿真； 开放变流系统； 半实物仿真

目前,许多电气系统、自动化系统、信息与电子系统的实验仍然基于软件仿真或物理模拟两种方法。完全基于实物搭建的物理模拟缺少改变模型参数的灵活性,限制了自由想象的空间[1-3]；而软件仿真只用于学习和检验基本原理和算法,无法考虑样机硬件系统如何实现,也无法模拟对象运行的真实场景[4-7]。

半实物仿真技术结合了软件仿真和物理模拟的优势,改进了传统实验教学方式和科研手段,在常规实验和创新实验中同时引入实时软、硬件设备,同步运行环境,满足现代控制系统、电气与电子系统的高效、精确、快速的设计要求,有利于激发学生的灵感和创新意识。笔者结合科研实践和教学实际,以培养研究型、创新性、能够解决复杂工程问题的高级技术人才为目的,研究开发了数字-物理混合仿真实验平台。

1 实验平台整体设计目标

数字-物理混合仿真实验平台的设计目标是满足智能电网和自动控制系统的实验教学及科研创新项目实验与验证。该平台集成了实时仿真器和开放变流系统，功能上达到如下要求:

(1) 提供开放式基本模块库,涵盖电力系统及控制系统的基本元件,并提供基础教学案例,方便实验者和开发者自主修改模型参数、搭建系统模型,适应实验室研发条件；

(2) 提供多组通用型功率接口,可同时接入多种交、直流电源及负载,用户可自主设计物理模拟系统,自由搭建构思好的硬件电路,为用户高效研发和扩展性实验提供想象空间；

(3) 要求接口装置功率能够双向流通,物理模拟对象既可能是发电设备,也可能是用电负载,满足半实物仿真技术要求,适应开放型研究和测试性实验模式；

(4) 提供完整的基础硬件，具有测量模块,可以接收物理仿真系统重要节点的反馈变量,实时监测物理系统动态特性；有足够的输入输出通道用于驱动接口装置和进行协调控制,方便使用者根据节点参数变量进行各个环节的实验；

(5) 实验平台通用性好,不局限于某种或某类控制对象和实验要求,能够适用于智能电网、新能源发电和自动控制系统的基本实验。

2 实验平台整体方案设计

数字-物理混合仿真实验平台由上位机、通用实时仿真器和开放变流系统3部分组成。

2.1 上位机

上位机是具备以太网通信条件的普通PC,能够运行Matlab/Simulink软件,用于控制系统和电力网络建模。上位机通过以太网口与通用实时仿真器通信,传递控制指令信息,接收系统反馈变量和监控数据,实时监测并控制实验运行状态。

2.2 通用实时仿真器

通用实时仿真器(UREP)是自主研发的基于模型化的工程设计应用平台,它主要包含多核处理器仿真主板、高速通信单元、智能I/O接口单元、协调优化硬件解算器、配套监控软件平台和实时操作系统,是实验平台的核心装置之一。使用者可以直接利用Matlab/Simulink建立动态系统数学模型,经代码转换为C代码后,编译下载到实时仿真器内运行,进行实时数字仿真、半实物仿真及控制、测量与系统控制等。UREP具有快速控制原型(RCP)、功率级快速控制原型(PRCP)、硬件在环(HIL)和功率级硬件在环(PHIL)等4项基本功能,仿真步长最短可达30 μs,且可与开放变流系统无缝连接,构成完整的闭环系统,完全能够满足半实物仿真实验的基本需求[8]。

用户利用Simulink搭建所构想的控制系统模型,可快速编译下载到仿真器内运行,省去繁琐的嵌入式开发过程。配合实验平台监控系统,可根据实验结果校验实验流程和仿真模型参数,发现原设计存在的问题并反复测试,最终得到合理、可行的仿真实验系统。

2.3 开放变流系统

开放变流系统主要包括控制器、物理仿真接口装置。控制器由PWM控制器、数模转换器、输入/输出模块构成；物理仿真接口装置由模拟量传输模块、功率放大器、电压互感器、电流互感器、变流器、滤波电路组成。由于半实物仿真的物理侧对象可以是各类交、直流电源或负载,因此接口装置要求功率能够双向流通,故选用电压可控的四象限变流器作为该实验平台的硬件接口装置。该变流系统适应使用者的需求,既可以接入交直流电源,也可以接入交直流负载；变流器之间既可以相互独立,又可以协同配合。

采用智能功率模块(intelligent power module,IPM)将驱动控制、电路保护功能集成于IGBT功率器件,各桥臂对应的开关控制信号由PWM控制器提供。开放变流系统完全面向使用者,可根据实验设计需求,自由搭建物理模拟系统。

3 数字-物理混合仿真

3.1 基本原理

数字-物理混合仿真结合了软件仿真和物理模拟的优势,通过在数字仿真系统中模拟控制电路或大规模电力系统,而在物理系统中接入硬件装置模拟被控对象,将数字仿真和物理模拟相统一。文献[9]分别从数学原理和电路原理的角度进行分析,得出实现数字模型和物理模型互联的关键在于接口算法的结论。依据替代定理,数字模型和物理模型均可将对方端口网络视为模型的一部分。通过接口装置,将数字模型中端口电压量(或电流量)用受控电压源(或电流源)替代物理模型端口电压(或电流),同时将物理模型中端口电流量(或电压量)用受控电流源(或电压源)接入数字模型端口,从而可实现离散条件下的数字仿真系统和实时条件下的物理模拟系统的组合与同步。

3.2 接口算法

实时仿真器联合开放变流系统实验平台接口算法采用基于电路中替代定理的电压型ITM(理想变压器模型)算法,接口等效电路如图1所示。

图1 实验平台数字-物理接口等效电路

图1中,R1为受控电流源的并联电阻。在数字侧接口处采用受控电流源来等效模拟物理系统,物理侧使用受控电压源的形式等效模拟数字系统。具体方法为:通过电流互感器,实测物理系统电流经模数转换后得到反馈电流,该电流作为数字侧接口受控电流源的控制电流；同时,采集数字侧接口电压标幺值为参考电压,经数模转换和PWM控制器脉宽调制,以开放变流系统中一组四象限变流器为功率接口进行功率放大,作为物理侧接口实际电压。

电压型ITM算法原理简单,易于实现,但仍存在接口稳定性和仿真精度欠佳的问题[9-11]。接口电路中数字量与模拟量的转换具有一定的延时,即TADC、TDAC；以及功率接口存在的延时和带宽限制TP是影响系统稳定性的主要因素。为分析接口电路特征,可将各环节总延时近似等效为一个延时环节[11-13],得到该算法的等效开环传递函数

(1)

其中,TVSC=TADCTDACTP=e-s td为总延时环节,td为延迟时间；假设Z1=R1+L1；Z2=R2+L2。

根据奈奎斯特稳定判据,电压型ITM算法稳定的充要条件为

(2)

由式(2)可以看出：在接口电路中,数字侧等值阻抗和物理侧等效阻抗的大小是决定仿真稳定性的主要因素,且当L2>L1时系统稳定[13]。所以,为了提高实验平台的仿真稳定性,采用文献[13]中提出的增加电感(HIA)法,即在物理侧串联一个合适的电感,来提高功率接口的稳定性。串联电感值的设计是在尽量小地影响仿真精确性的前提下,大于系统临界附加值,且使用者可根据实验系统自行串联合适的电抗器。

4 实验平台实用案例

4.1 基本结构

图2为数字-物理混合仿真实验平台系统结构。通用实时仿真器与快速控制器通过以太网通信模块互连,后者又与开放变流系统通过标准RS232-DB25串口互连,形成集软件控制、硬件接入、监测反馈于一体的闭环控制系统。开放变流系统中含多组完整的变流装置,直流侧可接入直流电源或负载,交流侧纳入分布式电源及各种被控装置,甚至可直接接入电网。

4.2 混合仿真分析

通过光伏并网后发生局部遮挡实验可以观测并网电流的动态变化,验证本实验平台的正确性。利用实时仿真器联合开放变流系统实验平台,搭建了光伏并网的数字-物理混合仿真实验系统。在实验平台的基础上,主要完成:

(1) 利用Simulink建立电网数字仿真模型,搭建光伏逆变器控制模型和接口电压功率放大器控制模型；

(2) 用物理仿真接口中的一组变流器通过直流电压变换器与光伏和储能装置并联,作为光伏逆变器；

(3) 用物理仿真接口中另一组变流器通过交流电压变换器与电压控制信号并联,作为数字系统接口电压参考信号的功率放大器；

(4) 在2组变流器交流侧之间串联接入模拟线路阻抗和并网开关。

如图3所示,采用通用实时仿真器运行大电网数字仿真模型,采集数字系统光伏并网点的三相电压，通过接口电压控制电路,经控制器将脉宽调制为PWM控制信号,传送到变流器实现接口电压的功率放大,实时同步接口电压变化；同时通用实时仿真器运行光伏逆变控制程序,控制光伏逆变。

图3 光伏并网数字-物理混合仿真系统结构

如图4所示,在光伏逆变控制程序中,通过锁相环模块(phase locked loop,PLL)采集数字接口电压的相位信息wt,将其作为并网前光伏逆变的初始相位。这样,在并网前,经功率放大的接口电压和光伏逆变电压满足每相间电压幅值、相位、频率一致,可直接并网,且并网时相间压差小于1%。

图4 光伏逆变器控制策略

在相位控制中叠加可调的功角偏量thera_add,并网后以新的相位信息wt+thera_add控制光伏阵列并网功率输出,用于手动跟踪光伏并网的最大功率点。实验发生在2017-05-02T15:30,地点位于贵阳花溪地区。通过调控功角偏量thera_add由15°到20°再到25°变化,观测并网电流变化趋势如图5(a)所示。当thera_add=25°时,并网电流稳态波形如图5(b)所示,且谐波比小于2.4%。

图5 手动调节功角偏量实验下,并网电流波形

设计光伏电池板局部遮挡实验,在光伏并网后,光伏逆变器以25°功角差向电网输送功率,突然遮挡光伏电池板的1/4板面,并网电流发生如图6所示变化:

从图6可以看出,光伏并网之后,当光伏电池板发生局部阴影遮挡时,并网电流幅值明显增大。

图6 局部阴影实验下,并网电流波形

在数字-物理混合仿真实验平台的基础上搭建光伏并网数字-物理混合仿真实验平台,通过几组实验结果证明了混合仿真平台的正确性,也验证了实时仿真器联合开放变流系统实验平台具有通用性且操作简单、高效可靠，利于使用者开发创新性实验的特点。

5 结语

数字-物理混合仿真实验平台的优势在于实现了和Matlab/Simulink的无缝连接,仿真系统模型库元件丰富，且支持用户自由建模,适用于各种电网形态以及控制系统建模,省去了传统嵌入式软件开发过程。通用实时仿真器具有多个内核,计算能力强大、I/O通道充裕,支持各种电网结构下的现代控制技术的实验研究；与开放变流系统无缝连接,可接入实际实验设备，构成完整的闭环系统,其通用性、灵活性优于常规动模系统,可以在各类电网环境下研究新能源以及电力电子智能装备的运行特性。该平台可以完成在实际现场运行难以实现的扰动实验,为物理装置接入的电力系统动态特性研究提供了良好的基础条件和验证环境。

数字-物理混合仿真实验平台采用模块化设计,具有开放程度高、通用实时性良好、开发和扩展灵活的特点,有利于培养学生的科研能力,方便师生在电气领域开展自主实验和创新研究。

References)

[1] 尹晨旭,孙建军,刘邦,等.控制器硬件在环混合仿真系统延时及补偿方法[J].电力自动化设备,2016(9):151-155.

[2] 许为,应婷,李卫红.电力电子半实物仿真技术及其发展[J].大功率变流技术,2014(6):1-5.

[3] 周冰,白建成,蔡蓉,等.微电网半实物仿真平台的设计和实现[J].电力电子技术,2013(2):38-40.

[4] 曾博,杨雍琦,段金辉,等.新能源电力系统中需求侧响应关键问题及未来研究展望[J].电力系统自动化,2015(17):10-18.

[5] 刘纯,黄越辉,张楠,等.基于智能电网调度控制系统基础平台的新能源优化调度[J].电力系统自动化,2015(1):159-163.

[6] 赵俊博,张葛祥,黄彦全.含新能源电力系统状态估计研究现状和展望[J].电力自动化设备,2014(5):7-20,34.

[7] 王琦,张波涛,刘追.继电保护半实物仿真教学系统设计[J].实验室研究与探索,2016,35(10):99-102.

[8] 吴越文,郝正航,陈卓,等.基于实时仿真器的开放式机器人实验平台[J].实验技术与管理,2017,34(1):114-118,123.

[9] 孟超,吴涛,刘平,等.光伏和储能并网物理数字混合仿真实验系统方案[J].电力系统自动化,2013(6):90-95.

[10] Velvelidis V, Hollinger R, Wittwer C. Hardware-in-the-Loop Testing of Control Strategies for Distributed Generation in the Smart Grid[J].Energy Technology,2014,2(1):100-106.

[11] 胡昱宙,张沛超,方陈,等.功率连接型数字物理混合仿真系统(一)接口算法特性[J].电力系统自动化,2013(7):36-41.

[12] 胡昱宙,张沛超,包海龙,等.功率连接型数字物理混合仿真系统(二)适应有源被试系统的新型接口算法[J].电力系统自动化,2013(8):76-81.

[13] 辛业春,江守其,李国庆,等.电力系统数字物理混合仿真接口算法综述[J].电力系统自动化,2016(15):159-167.

Development and application of digital-physical hybrid simulation experimental platform

Yan Guihang1, Hao Zhenghang1, Chen Zhuo1, Xu Yutao2, Zhang Hongyu1

(1. Electrical Engineering College, Guizhou University,Guiyang 550025, China；2. Electric Power Research Institute, Guizhou Power Grid Co., Ltd., Guiyang 550002, China)

In view of the teaching requirements forthe electrical engineering, automation and other related specialities, an innovative experiment is developed, and a digital-physical hybrid simulation experimental platform is designed by a real-time simulator combined with an open converting system. By using the experiment of the actual photovoltaicgrid for the occurrence of the partial occlusion, the correctness of the experimental platform is illustrated.The experimental platform adopts the modular design which can be connected with the actual physical equipment to form a complete closed loop system. It has the characteristics of the high openness, good universality,good real-time performance, and flexible development and expansion. It can help students and developers to train their abilities for the independent thinking, innovative research and hands-on practice.

real-time simulation; open converting system; hardware-in-the-loop simulation

2017-05-10

国家自然科学基金项目(51467003,51567005)

闫桂杭(1992—),男,山东济宁, 硕士研究生,主要研究方向为电力系统及其自动化

E-mail：1119533665@qq.com

郝正航(1972—),男,河南开封,博士,教授,博士生导师,主要研究方向为电力系统稳定、风力发电.

E-mail：haozhenghang@163.com

10.16791/j.cnki.sjg.2017.12.033

TM743

A

1002-4956(2017)12-0138-04