基于RT-LAB的储能变流器硬件在环实时仿真

(国网山西省电力公司电力科学研究院，山西 太原 030001)

1 引言

当今，风能、太阳能等新能源发电得到了全面发展，然而其不连续，不稳定，易受时间、季节和气候等因素影响的特点对电力系统也产生了比较严重的影响。现今以电池储能为代表的储能技术的飞速进步为上述问题提供了良好的解决途径，通过配合有效的控制策略，储能系统可以实现对风能、太阳能等新能源发电的输出功率平滑，调节电网电压、频率及相位的变化，提高供电质量，并增强可再生能源发电系统的运行稳定性电池储能系统的关键核心为储能变流器，它是实现电网与储能电池能量交互的基础，决定了电池储能技术是否能在电力系统中被广泛应用。因此，对电池储能变流器的深入研究具有非常重要的现实和理论意义。

硬件在环仿真(hardware-in-the-loop simulation)又称为半实物仿真，是计算机在进行仿真时引入部分硬件实物进行软硬结合的仿真,是当今产品开发与设计的一个重要环节。半实物仿真系统能够克服数学模型的不精确以及干扰等因素的影响，更加真实地反映系统的实际情况。通过硬件在环仿真，可以实现变流器的硬件控制系统与储能电池、大电网、新能源发电系统模型的软硬结合，大大方便了储能变流器在新能源发电中应用的研究。

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司开发的一套实时仿真框架软件包，主要用于快速控制原型、半实物仿真等。可以让设计者将Simulink、SystemBuild等建模工具所搭建的数学模型，通过上位机和多台目标机的模式，将仿真模型放置在实时仿真平台上运行，从而方便地实现复杂的分布式实时仿真等工作，提高构建系统的快速性和灵活性[1]。

目前，RT-LAB在国内外已广泛应用于航空航天、武器研制、汽车等各种领域。C.A.Rabbath等人通过运用RT-LAB实现了F-14的编队飞行仿真；加拿大的Pratt&Whitney公司将RT-LAB用于发动机的仿真设计平台中[2]。

本文将基于TMS320F2812芯片开发的储能变流器嵌入式控制器与RT-LAB仿真系统相结合，实现了储能变流器的硬件在环实时仿真，为储能变流器在新能源发电等新兴领域的应用研究奠定基础。

2 RT-LAB实时仿真系统结构及原理

实时仿真是系统仿真模型的动态过程与实际系统的动态过程的时间进程完全相同的仿真研究。在产品开发与设计的过程中，实时仿真有以下几点优势：

① 节约时间：利用实时仿真可以在设计过程的初期就能发现问题，而且即使实际系统不可用，也可以进行设备的设计。

② 降低成本：相比于在实物条件下对设备的测试，实时仿真可以降低经济成本，而且在不改变设备配置的情况下，实时系统可以实现更多可能情况的测试。

③ 增加测试功能：实时仿真系统可以将所有在现实世界中可能发生的情况在一个安全的模拟环境中进行测试。其有较高的灵活性，能够快速修改测试系统的所有参数和信号。

仿真计算在计算步长上有定步长和变步长之分，但是在实时仿真系统中必须采用固定的步长。在这个时间范围内，处理器读取输入信号，如传感器信号，执行所有必需的计算，如控制算法，给出所有的输出，如控制执行机构。

RT-LAB实时仿真系统可以进行实时仿真、快速控制原型和硬件在回路测试。它的独创之处在于可以把复杂的模型划分成多个并行执行的子系统模型,再把这些子系统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。

RT-LAB和Matlab/Simulink可实现无缝连接,在Matlab/Simulink环境下,首先对要仿真的系统进行数学建模,并对模型进行一定的实时化处理,然后按照RT-LAB下模型的分割方法对数学模型进行分割、编辑、编译、C代码生成等操作,转化为可在目标机上运行的实时代码,最后进行加载运行。图1为RT-LAB环境下系统的仿真实现流程图[5]。

图1 RT-LAB仿真实现流程图

3 基于SVPWM的储能变流器

图2 PWM整流器的拓扑结构图

图2三相电压型PWM整流器(VSR)的拓扑结构图，其中主要包括交流侧电感L、功率开关管和交流滤波电感的合并等效电阻R、直流侧输出电容C以及全控开关器件(IGBT)及其续流二极管[6]。

首先定义一个单极性二值逻辑开关量sk=1，其中sk=1表示上桥臂导通，下桥臂关断；sk=0表示上桥臂关断，下桥臂导通，其中k=a,b,c。根据KCL，KVL公式可得到VSR在三相静止坐标系下的微分方程。

(1)

由三相对称系统可得

(2)

利用CLARK和PARK坐标变换将三相静止坐标系(a，b，c)转换成以电网基波频率同步旋转的坐标系(d，q)，可得整流器在两相旋转坐标系下的数学模型如下:

(3)

式(3)中的Udcsd和Udcsq为三相桥交流测电压空间矢量的d、q轴分量，可令Ud=Udcsd，Uq=Udcsq。因此可引入控制量Ud、Uq来实现解耦控制，其中控制量为：

(4)

其中ed=Em，eq=0(Em为三相交流电源的电压幅值)。

本文所涉及的储能变流器的嵌入式控制器采用电压外环和电流内环的双闭环控制原理来实现PWM整流器的控制。其控制框图如图3所示，其中电压外环主要用来控制整流器直流侧电压，电流内环则根据电压外环输出的直流指令，实现单位功率因数正弦波电流控制，以达到跟踪指令电流稳定直流侧电压的目的。控制器是利用空间电压矢量调制(SVPWM)的原理生成PWM波来驱动三相桥以实现对变流器的控制。

图3 储能变流器的双闭环控制框图

4 RT-LAB硬件在环实时仿真系统的建立

RT-LAB半实物实时仿真系统硬件部分包括变流器嵌入式控制器、RT-LAB仿真主机和仿真目标机，软件部分包括Matlab/simulink、RT-LAB主程序、ARTEMIS工具箱和RT-Events工具箱等，本系统的结构框图如图4所示。

图4 实验系统的结构框图

在该实验系统中，储能变流器的主电路利用RT-LAB仿真器实现，其控制部分利用储能变流器的嵌入式控制器来实现。首先利用simulink搭建储能变流器和储能电池的仿真模型，将其交流测和直流侧的电压和电流通过模拟输出板卡输出以供控制器采样，然后控制器将通过上文所述的控制环节产生的六路PWM波经RT-LAB仿真目标机的数字输入板卡输入到仿真模型中控制三相桥的六个IGBT管，以此来实现整流以及逆变。本实验系统的原理图如图5所示。

图5 实验系统的原理图

变流器的三相桥由控制器产生的六路PWM波驱动，因此PWM信号采集的精度决定了仿真结果的正确与否。然而对于实时仿真来说，其仿真步长都是定值，信号只能在确定的间隔时刻被处理,但实际情况中PWM信号的电平值可能会在两个步长之间产生跳变。此时，由于离散的步长限制,模型采集到的PWM脉冲的跳转只能推迟到下一步长时刻才能发生,如图6所示。这样就造成了采集到的PWM信号脉冲宽度和脉冲时刻的误差，但是这种误差在仿真过程中是绝不允许的。

图6 PWM信号采集的误差

在RT-LAB仿真系统中，RT-Events工具箱配合FPGA I/O板卡可以很好地解决脉冲事件不能正确产生或者捕捉所造成的问题。该工具箱中的控件能生成或处理RTE格式的信号，RTE信号可以分解为两个向量：逻辑状态和时间戳，其中时间戳为关于状态跳变的时间信息，因此RTE信号可以准确记录单个时间步长中信号产生的任一事件，从而结合FPGA板卡能够精确地采集到输入的PWM信号。在建模时，用RT-Events的模块取代那些受事件影响的模块，就可以在仿真时消除数字信号采集的误差。

用Simulink搭建仿真模型时，必须进行顶层子系统的封装，而且所有顶层子系统都必须以一个前缀命名，以此来区分它们的功能，这些前缀为SM_、SC_和SS_。SC_子系统负责对仿真系统中的关键参数、曲线进行实时监控或事后处理子系统间的数据通信,程序中包括了采集和显示数据的基本组块，与其他所有子系统异步运行。SM_子系统负责模型的实时计算和网络同步。当整个系统通过多节点实现分布式处理时，模型中须包括SS_子系统，此时子系统中也包含模型的计算单元。分割好的模型中只能包括一个SC_子系统,一个SM_子系统和若干个SS_子系统。本文所述的仿真系统中，一个节点可以满足运算需求，所以模型中只包括SM_子系统，模型如图7所示。

图7 实时仿真模型的主程序

图8为实验模型中的SM_子系统，其中主要包括三相电源、储能变流器以及蓄电池的仿真模型，还包括模拟信号输出单元和数字信号输入单元等。变流器中使用的三相桥为RT-LAB开发的高阻态三相桥，其驱动的门极信号为RTE信号。OP5142EX1 AnalogOut为RT-LAB的模拟输出驱动模块，实现变流器交直流两侧电压和电流信号的模拟输出以供控制器进行采样，其中电流信号也是转变为电压信号进行输出的。OP5142EX1 EventDetector为数字输入驱动模块，实现PWM信号的精确采集。OP5142EX1 Ctrl为配合FPGA板卡的同步驱动模块。

图9为模型中的SC_子系统，实现变流器交流侧A相电压Va和电流Ia、直流侧电压Vdc和电池状态的显示。因为三路信号的读取参数一致，所以只采用一个Opcomm同步模块。

5 实验结果及分析

本实验的实时仿真波形如图10、11所示。其中，图10为恒流200A对电池充电仿真时A相的电压及电流波形；图11为恒流200A对电池放电仿真时A相的电压及电流波形。

对上述实验波形分析可得，充电仿真时，其功率因数几乎为1，放电仿真时，其功率因数接近-1，而且其交流侧电流波形基本为正弦波形。由此可以看出，基于SVPWM的电压电流双闭环控制原理可以实现储能变流器的高功率因数的精确控制；利用RT-LAB充当变流器的主电路拓扑以及储能电池，并结合变流器的嵌入式控制器，可以完成储能变流器的硬件在环实时仿真及算法验证，为其控制算法的二次开发提供了简单快捷有效的验证实验平台，为储能变流器在新能源发电等新兴领域的应用研究奠定了坚实的基础。

图8 主程序中的SM_部分程序

图9 主程序中的SC_部分程序

图10 200A恒流充电仿真时A相的电压电流波形

图11 200A恒流放电仿真时A相的电压电流波形