基于RTDS的风光发电系统数字物理混合仿真分析-杨苹

书书书第!卷第!期#!!年!月现!代!电!力$%&’()*+’,-(.,/%0’(1%+2!!!3%2!!!2#!!现代电力!#!!!!!!#!4--5$6&&+2),’572’&72,)!*89:.+$6&&+!;.52=2,%9文章编号!##?8!#!!##8####8##文献标志码!@中图分类号!A$?B基于!#$的风光发电系统数字物理混合仿真分析杨!苹!!许志荣!!宋嗣博!郑群儒!周少雄B!廖一旭B!李畅飞B!C华南理工大学电力学院#广东广州!D#=B#$C华南理工大学广东省绿色能源技术重点实验室#广东广州!DBDE$C华南理工大学风电控制与并网技术国家地方联合工程实验室#广东广州!DBDE$BC广东智造能源科技研究有限公司#广东广州!DBDE%&’()*$)+,-./)0121.-&3)3045)1*%670/080-/.)9$&3/:+’.3:*01!:.-;)+:#))/.-$)+,-./0(F@3G/.)H##IJK4.(%)H##LM3GL.N%#KO*3GP7)(7#KOMJL4:%6.%)HB#QR@MF.67B#QRS4:)HT’.B!CL,4%%+%T*+’,-(.,/%0’(#L%7-4S4.):J).;’(U.-V%TA’,4)%+%HV#G7:)HW4%7D#=B##S4.):$CG7:)H&%)HX’VQ:N%(:-%(V%TS+’:)*)’(HVA’,4)%+%HV#L%7-4S4.):J).;’(U.-V%TA’,4)%+%HV#G7:)HW4%7DBDE#S4.):$C3:-.%):+8Q%,:+Y%.)-*)H.)’’(.)HQ:N%(:-%(VT%(Z.)&/%0’(S%)-(%+:)&R)-’H(:-.%)A’,4)%+%HV#L%7-4S4.):J).;’(U.-V%TA’,4)%+%HV#G7:)HW4%7DBDE#S4.):$BC*+’,-(.,/%0’([’U’:(,4R)U-.-7-’#SLG#G7:)HW4%7#DBDE#S4.):基金项目!国家自然科学基金项目!=??$广东省科技计划项目!#\#B####D$广州市南沙区科技计划项目资助!#/##D摘!要!风光发电系统的仿真分析研究是发展可再生能源发电技术的重要环节!本文针对风光发电系统数字物理混合实时数字仿真的关键技术展开研究!构建风光发电系统电气架构和通信架构!采用实时数字仿真器作为研究工具!建立基于[A]L纯软件的各微电源单体控制系统模型和基于[A]L的数字物理混合仿真单体微电源模型!并分别在稳态和动态两种情况下对其进行仿真分析!研究两者间特性的差异!证明所建模型的有效性!为两类模型的选择使用提供指导数字物理混和仿真分析条件更接近于实际情况!既可在物理平台上对控制策略的性能进行检验和调试!又可实时修正控制参数#控制策略!为实际工程设计提供重要实践依据关键词!风光发电系统$实时数字仿真$数字物理混合仿真2’3/(.9/&!#$%&’()*%+,),)(-$%$+./%,0%1+*+2+(*)%31+/#45#,#4)*%+,$-$*#&)$6#3+&#),%&1+4*),*1)4*+.*#0#2#(+1&#,*+.4#,#/)6(##,#45-5#,#4)*%+,*#3,+(+75%#$8!#34%*%3)(*#3,+(+5%#$.+4/%,0%1+*+2+(*)%31+/#45#,#4)*%+,$-$*#&%$$*’0%#06)$#0+,4#)(7*%�%5%*)($%&’7()*%+,#),0#(#3*4%3)(1+/#4)43%*#3*’4#),03+&&’,%3)*%+,)43%*#3*’4#)4#6’%(*6-’$%,54#)(7*%�%5%*)($%&’()*+4)$)4#$#)43*++(89)3&%34+71+/#4$%,5(#3+,*4+($-$*#&&+0#(%$6’%(*6)$#0+,1’4#$+.*/)4#:!;),0&%34+71+/#4$%,5(#1-$%3)(-64%0$%&’()*%+,&+0#(#),0$%&’()*%+,%$),)(-=#0%,$*#)0-$*)*#),00-,)&%3$*)*#8!#0%..#4#,3#$6#*/##,6+*14+1#4*%#$)4#$*’0%#0#*#2)(%0%*-+.*#&+0#(%$14+2#0#),0$#(#3*)6(#5’%0),3#.+4*/+&+0#($%$14+2%0#08+,0%*%+,$+.-64%0$%&’()*%,5),)(-$%$)4#3(+$#*+*#)37*’)($%*’)*%+,#/%3,+*+,(-3),6+**#$*),00#6’53+,7*4+($*4)*#5-1#4.+4&),3#+,*#1-$%3)(1()*.+4’*)($+3),3+44#3*3+,*4+(1)4)&#*#4$),03+,*4+($*4)*#5-%,4#)(7*%&##),0%*14+2%0#$),%&1+4*),*6)$%$.+4*#)3*’)(#,5%7,##4%,50#$%5,8=:&0(*3&/%,0),0$+()41+/#45#,#4)*%+,$-$*#&$4#)(7*%�%5%*)($%&’()*%+,$-64%0$%&’()*%+,),)(-$%$?!引!言风光等新型能源可有效解决远离大电网供电的偏远地区或海岛生活的供电难题#对当地经济发展和居民生活保障具有重要意义’()光伏发电*风力发电凭借其独特的优点一直受到青睐#已成为国内可再生能源发展战略的重要内容#但由于其不同于常规电源的发电特点#输出功率波动较大#因此在实际日照强度*风速和温度下的风光发电系统建模与仿真研究成为新能源发电领域的重要课题)文献’B(基于比例谐振电流控制器对大功率并网发电系统进行研究#在[A]L上对光伏并网逆变器的稳态波形*并网电流谐波畸变率和电流控制器动态响应进行考察)文献’D(2016-05-1717:10:51现代电力!#!!!!!!#!4--5$6&&+2),’572’&72,)!*89:.+$6&&+!;.52=2,%9通过[A]L的大步长仿真模型和小步长模型构建了低电压穿越仿真平台#设计了在电压正常和对称跌落时两种控制策略以抑制低电压+尖峰,)文献’=(主要研究双馈式风电场暂态电压控制系统#并通过[A]L仿真进行验证)文献’?(提出了一种控制策略来解决光伏阵列有功无功的间歇性问题#并控制电池的功率输出#通过[A]L验证了所提策略的准确性)上述文献多采用纯[A]L软件建模仿真对所建模型或所提策略进行验证#但其准确性及可靠性受所研究系统数学模型的建模精确程度影响很大’E(#同时并未考虑与外部真实情况的联系#有时由于实际模型的复杂性#建立的模型也不够准确#故需将实际系统对象原型放置在仿真系统中进行研究’^#()虽然实际物理试验能更加真实准确地验证所建模型#为其理论研究提供实验支撑#但是随着风光发电系统规模扩大*模型复杂化#建立一个大功率的风光发电系统试验平台耗资巨大*设备参数不能灵活调节*所能提供的实验功能也较少*模拟规模有限#因此只能为特定的研究内容提供实验#而不具备通用性#并且接入实际电网后难以进行一些相关试验来检验控制系统与电网之间的相互影响#如低压穿越*孤岛检测等)数字物理混合仿真技术在一定程度上可以弥补以上这些不足#对风光发电系统控制策略的研究显得非常必要)数字仿真通过计算机软件平台模拟实际风光发电系统#克服了物理仿真的缺陷)风光发电系统的数字物理混合实时仿真条件更接近于实际情况#在实验室中既可对控制策略的性能进行检验和调试#大大缩短了控制系统的研究周期#节省科研经费#又可实时修正控制参数*控制策略#为实际工程设计提供实践依据#因此具有广阔的应用前景)本文建立了基于[A]L的纯软件和数字物理混合仿真单体控制系统模型#包括光伏发电系统模型和永磁直驱风力发电系统模型)对于光伏发电系统在光照变化*限功率运行*低电压穿越种情况下进行仿真#对于风力发电系统分别在风速升高和风速降低两种情况下进行仿真#最后就纯[A]L模型和数字物理混合模型进行对比分析#验证所建混合仿真分析的准确性)@!风光发电系统!#$建模@A@!光伏发电系统!#$建模本文所采用光伏并网逆变器的拓扑结构如图所示’()图中&!为逆变器侧滤波器$为!内阻及线路上的寄生阻抗$和!为线路上的寄生电阻和电感$&为抑制QSQ滤波器的谐振特性而设置的无源阻尼电阻)图!三电平光伏并网逆变器拓扑结构!!为方便分析#定义开关函数#$!$%&#’#(#$%#)$导通##)$*)$导通*#)$B#$%导通#其中$%:#N#,!!!以直流侧电容中点%作为参考零点#则逆变器输出三相电压可表示为+$%%,&,#$!为简化分析#在建模过程中忽略&作用#列出三电平光伏并网逆变器的状态方程#公式中$%:#N#,)D现!代!电!力!!!#!!年现代电力!#!!!!!!#!4--5$6&&+2),’572’&72,)!*89:.+$6&&+!;.52=2,%9+$%!&-$&./-$/+,$!+,$%!&-$&._-$/0$!B-$%-$/-,$%-$/1&+,$&.!D!!由公式!*!B*!D整理可得系统在:N,坐标系下的状态空间方程为&-$&.%*!-$*!+,$/!+$&-$&.%*!-$/!+,$*!0$&+,$&.%1-$*-!#$%$#其中$%:#N#,!=!!忽略线路的寄生电阻和电感!#稳态时#0$%+,$#将式!=转换到同步旋转坐标系下#则可以得到&‘坐标系下并网逆变器的状态方程为&-&&.%*!-&/!-‘*!0&/!+&&-‘&.%*!-&*!-&*!0‘/!+‘&-&&.%*!-&/!-‘/!0&*!+H&&-‘&.%*!-&*!-&/!0‘*!&0&&.%/&11-&*-!&/!10‘&0‘&.%/&11-‘*-!‘*!10#$%&!?!!本系统中#光伏的$//A控制是通过\%%U-升压电路实现的#其控制结构框图如图所示)图!永磁直驱风力发电系统拓扑结构@AB!永磁直驱风力发电系统!#$建模永磁直驱风力发电系统拓扑结构如图所示#永磁直驱发电机输出电能经不可控整流器整流后图!$//A控制框图输入前级\%%U-升压电路#\%%U-升压电路对输入电压进行升压并完成最大功率点跟踪控制#然后将能量都注入逆变器直流侧#最后逆变器通过逆变实现发电系统的并网运行)整个系统中不可控整流器实现电能的交直流变换#\%%U-升压电路则用于实现升压和最大功率点跟踪控制#逆变器则用于实现对直流侧电压的稳定控制和并网运行)B!系统架构与通信架构BA@!风光发电实时仿真系统结构在光伏发电系统数字物理混合仿真模型中#光伏发电系统主电路为[A]L模型#光伏发电系统控制器为物理控制器’(#在该类型数字物理混合仿真模型中#光伏阵列*并网逆变器*变压器等主电路元件均为[A]L模型#而光伏系统控制器则为实际物理控制器#两者间通过[A]L的GA@M和GA]R板卡接口连接在一起#控制器通过采集[A]L平台GA@M板卡输出的光伏发电系统的电压*电流*开关状态等信息#用于控制器算法运行#并产生用于控制并网逆变器的/Z$脉冲和并网开关控制信号#最后#通过[A]L的GA]R板卡将控制脉冲输入[A]L系统#实现对光伏发电系统的控制#进而完成光伏发电系统的闭环测试)在永磁直驱风力发电系统数字物理混合仿真模型中#风力机*变流器*变压器等主电路元件均为[A]L模型#而控制器则为实际物理控制器#两者间通过[A]L的GA@M和GA]R板卡连接在D第!期杨!苹等&基于