一種基於ni-pxi分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺的製作方法
2023-05-07 02:21:01
一種基於ni-pxi分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺的製作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基於NI-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺，所述平臺包括分布式電源、線路阻抗模擬裝置、系統負荷模擬裝置、NI-PXI純數字實時仿真裝置和電網；所述分布式電源通過線路阻抗模擬裝置接入電網；通過NI-PXI純數字實時仿真裝置，建立各種純數字的仿真模型並通過仿真裝置與電源的接口進行實驗平臺的數字/物理混合仿真運行。所述電網友好型分布式電源包括可再生能源發電模塊、鋰電池儲能模塊、超級電容儲能模塊、DC/AC變換器和底層控制器。本實用新型有效驗證各種控制策略有效性的同時大大提高效率；自動參與電網的頻率、電壓調節，提高電網對分布式可再生能源發電的接納能力，實現節能環保效益。
【專利說明】—種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺
【技術領域】
[0001]本實用新型屬於新能源發電技術，具體講涉及一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺。
【背景技術】
[0002]間歇式可再生能源發電會對電網的安全穩定帶來一系列的影響，電網友好型分布式新能源發電技術利用混合儲能系統可有效抑制電源功率波動，通過對後端DC/AC換流器的靈活控制，還可實現對電網電壓和頻率進行支撐調節。搭建開放式的實驗平臺是開展分布式新能源和微電網相關技術研究的有效手段，目前，國內外搭建的關於分布式電源和微電網的相關實驗平臺主要分為以下幾類:
[0003](I)實驗平臺全部以純物理機組搭建實現。目前，國多內外搭建了諸多分布式電源和微電網的實驗平臺，在該類平臺一次設備主要包括風力發電單元、光伏發電單元、蓄電池儲能單元、傳統的旋轉發電單元等分布式電源，通過監控平臺完成分布式電源的監控與能量管理，最終實現系統的穩定運行。在該類分布式電源和微電網實驗平臺中，所有環節都通過實際的物理模型實現，並且所有的控制策略已封裝固化到設備內部，該實驗平臺的開放程度遠遠無法滿足相關實驗研究的需要。
[0004](2)實驗平臺以純數字的仿真程序實現。目前，國內外有很多關於分布式電源或微電網相關仿真平臺，該平臺的通過一些綜合分析程序，在計算機上實現的是一種純數字的分析計算，分析對象全部通過數字模型實現。在該類實驗平臺中，缺乏對分布式電源和微電網一些電磁暫態的實證性分析研究。
[0005](3)實驗平臺以實時仿真器實現分布式電源主控系統。目前，國內外有些分布式電源的半實物仿真平臺，該平臺中的分布式電源一次主電路由實際的物理器件搭建，分布式電源的主控制器由實時仿真器實現，通過在實時仿真器中搭建控制模型，實現分布式電源的半實物仿真。在該類實驗平臺中，分布式電源的所有控制策略全部放入仿真器中，未採用分層控制設計技術，導致分布式電源失去了就地自控能力，不利於分布式電源運行模式的靈活切換。
實用新型內容
[0006]針對現有技術的不足，本實用新型提供一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺。本實用新型中的電網友好型分布式電源由間歇性可再生能源發電(如風電、光伏等)系統和混合儲能系統一能量型儲能鋰電池系統和功率型儲能超級電容系統組成。該實驗平臺由兩臺電網友好型分布式電源、線路阻抗模擬裝置、系統負荷模擬裝置、N1-PXI純數字實時仿真裝置組成。依託該實用新型，可以完成電網友好型分布式新能源發電的拓撲結構研究與控制方法驗證，多臺電網友好型分布式電源並聯協調運行控制技術，系統線路阻抗對電源出力的影響，以及分布式新能源發電數字/物理混合仿真技術，通過N1-PXI純數字實時仿真裝置的建模仿真，實現電網友好型分布式電源純數字實時仿真，通過仿真裝置與物理平臺的接口對接，實現電網友好型分布式電源數字/物理混合仿真。
[0007]本實用新型的目的是採用下述技術方案實現的:
[0008]一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺，其改進之處在於，所述平臺包括分布式電源、線路阻抗模擬裝置、系統負荷模擬裝置、N1-PXI純數字實時仿真裝置和電網；
[0009]所述分布式電源通過線路阻抗模擬裝置接入電網；
[0010]通過N1-PXI純數字實時仿真裝置，建立各種純數字的仿真模型並通過仿真裝置與電源的接口進行實驗平臺的數字/物理混合仿真運行；
[0011]所述電網友好型分布式電源包括可再生能源發電模塊、鋰電池儲能模塊、超級電容儲能模塊、DC/AC變換器和底層控制器。
[0012]優選的，所述可再生能源發電模塊、鋰電池儲能模塊和超級電容儲能模塊分別通過DC/AC變換器與直流母線並聯，構成功率可控的直流供電系統，該直流供電系統通過DC/AC換流器與交流系統相連，N1-PXI純數字實時仿真裝置搭建Veristand平臺對交直流混合供電系統內部的協調控制，構成電網友好型分布式電源。
[0013]優選的，所述DC/AC變換器採樣調理電路採取0-3V模擬信號，進入N1-PXI純數字實時仿真裝置數據採集板卡相對應的信號引腳，轉換為數位訊號後由FPGA進行數字處理完成數據輸入。
[0014]優選的，所述N1-PXI純數字實時仿真裝置數據輸出板卡輸出的模擬量直接送入相對應DC/AC變換器採樣控制單元，對DC/AC變換器進行外環控制完成數據輸出。
[0015]優選的，所述N1-PXI純數字實時仿真裝置通過總線控制將DC/AC變換器DSP、PXI硬體在環仿真平臺Veristand以及Matlab仿真平臺相結合，DSP控制器可以通過485/CAN通信與N1-PXI系統進行信息交互，將DC/AC變換器的信息直接通過通信傳送給Veristand平臺；或通過乙太網通信將Matlab仿真軟體中搭建好的控制模型直接燒寫到N1-PXI系統中，通過對Veristand平臺進行相應配置完成總線控制。
[0016]優選的，所述實驗平臺的數字/物理混合仿真包括將純數字仿真模型中控制系統的輸入信號切換到純數字仿真裝置實際的輸入信號，將純數字仿真模型中的DC/AC換流器部分替換成實際的物理平臺，進行的數字/物理混合仿真。
[0017]與現有技術比，本實用新型的有益效果為:
[0018]1、本實用新型可應用於電網友好型分布式電源建模仿真技術，依託該開放式的實驗平臺，可開展分布式新能源發電純數字實時仿真，同時也可開展分布式新能源發電數字/物理混合仿真，上述仿真技術，在有效驗證各種控制策略有效性的同時大大提高研究效率。
[0019]2、本實用新型可應用於分布式電源併網的運行與控制技術，降低間歇式可再生能源發電併網對電網的影響，使分布式電源根據上級調度指令以調度功率運行，並且能夠自動參與電網的頻率、電壓調節，提高電網對分布式可再生能源發電的接納能力，實現了節能環保效益。
[0020]3、本實用新型可應用於規模化離網型微電網中分布式電源的運行與控制技術，使分布式電源可以作為微電網的組網單元，和傳統發電機、其他逆變器型分布式電源共同均分系統的負荷功率，維持電網中的頻率和電壓的穩定。[0021]4、本實用新型可應用於混合儲能系統的運行控制技術，可以優化管理蓄電池和超級電容的充放電過程，改善蓄電池的工作過程，減少其充放電循環次數和最大放電深度，延長儲能系統的使用壽命。
[0022]5、本實用新型DC/AC換流器採用了底層控制系統，實現了基本運行模式的本地控制，通過定義的開放、標準接口，與N1-PXI純數字實時仿真裝置中的純數字模型實現了無縫對接。
[0023]6、本實用新型專利易於實現，突出數字物理混合仿真接口交互的物理過程，是處理分布式新能源發電實驗系統控制的實用方法。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為本實用新型提供的電網友好型分布式新能源發電實驗平臺。
[0025]圖2為本實用新型提供的電網友好型分布式新能源發電數字/模擬混合仿真原理圖。
[0026]圖3為本實用新型提供的電網友好型分布式新能源發電數字/模擬混合仿真平臺接口及通信圖。
[0027]圖4為本實用新型提供的電網友好型分布式新能源發電實驗平臺示意圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步的詳細說明。
[0029](一)如圖1所示，本實用新型一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺包括兩臺電網友好型電源、線路阻抗模擬裝置、系統負荷模擬裝置、N1-PXI純數字實時仿真裝置和電網等幾部分組成。電網友好型分布式電源之間通過線路阻抗模擬裝置連接，通過對線路阻抗模擬裝置的在線設置，既可以模擬兩分布式電源以不同距離運行，由可以模擬兩分布式電源以不同的線路參數運行。通過對系統負荷模擬裝置的在線設置，可以模擬系統在不同負荷條件下運行，通過N1-PXI純數字實時仿真裝置，可以建立各種純數字的仿真模型，並通過仿真裝置與電源的合理接口設計，可實現實驗平臺的數字/物理混合仿真運行。其中:
[0030]( I)電網友好型分布式電源:
[0031]主要通過直流供電系統中可再生能源發電系統、鋰電池系統、超級電容系統之間的協調控制以及交流側DC/AC換流器的電網自適應控制實現。直流供電系統的控制目標為穩定直流母線電壓，最大化的利用可再生能源發電及合理高效利用各種類型的儲能設備；交流側換流器的控制目標為實現分布式電源的電網友好特性。
[0032](2)線路阻抗模擬裝置:
[0033]每個分布式電源通過一個線路阻抗模擬裝置接入電網，通過該模擬裝置，一方面可以分別模擬380V、10kV、35kV輸電線路的X/R參數特性，另一方面可以通過設置，改變線路的等效程度，進而模擬分布式電源以不同電壓等級和不同距離接入電網的發電運行情況。
[0034](3)系統負荷模擬裝置:
[0035]系統中安裝了一套系統負荷模擬裝置，通過對該裝置的參數設置，可以靈活改變系統的等效電阻、電感和電容負荷，進而實現對系統負荷的在線模擬功能。
[0036](4) N1-PXI純數字實時仿真裝置:
[0037]在N1-PXI純數字實時仿真裝置中搭建仿真模型，實現仿真模型的實時仿真，並且該仿真裝置通過標準的對外接口，可實現與DC/AC換流器輸出信號的無縫連接，進而實現實時仿真模型與DC/AC物理模型運行信號的實時交互。
[0038](5)電網:
[0039]該實驗平臺通過一個開關與電網相連，通過對該開關的控制，可模擬實現系統併網運行模式和孤島運行模式的穩態運行，同時也可以模擬實驗平臺的併網/孤島運行模式切換的暫態運行。
[0040](二)本實用新型一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺包括多種運行模式:併網運行模式、孤島運行模式和自同步運行模式,每種運行模式說明如下:
[0041](I)併網運行模式
[0042]N1-PXI純數字實時仿真裝置對DC/AC換流器下達指令，選擇併網運行模式，DC/AC換流器根據實時的交直流信號，通過底層控制器就地控制DC/AC換流器，實現DC/AC換流器的啟動、同期、併網等過程。DC/AC換流器併網開關K閉合後，其P、Q指令由N1-PXI純數字實時仿真裝置的Po、Q0指令設定值確定。
[0043]當DC/AC換流器完成併網 過程，並且DC/AC換流器輸出P、Q達到設定值後，通過N1-PXI純數字實時仿真裝置下達的指令通道切換信號，DC/AC換流器的P、Q指令值將通過兩路AD採樣通道，從N1-PXI純數字實時仿真裝置的DA通道採集獲取。
[0044]DC/AC換流器併網開關K閉合後，其運行模式將從V-F模式切換到P-Q模式，即通道切換SI由底層控制器就地自動控制，與N1-PXI純數字實時仿真裝置無關；DC/AC換流器在P-Q模式運行下，其P、Q指令從初始設定值切換到N1-PXI純數字實時仿真裝置給定值，即通道切換S2由N1-PXI純數字實時仿真裝置控制；
[0045](2)孤島運行模式
[0046]N1-PXI純數字實時仿真裝置對DC/AC換流器下達指令，選擇孤島運行模式，DC/AC換流器將根據實時的交直流實時信號，通過底層控制器就地控制DC/AC換流器，實現DC/AC換流器的V-F黑啟動過程。在DC/AC換流器進行黑啟動時，其V、F指令由N1-PXI純數字實時仿真裝置的Vc^Ftl指令設定值確定。
[0047]當DC/AC換流器完成黑啟動過程，並且DC/AC換流器輸出V、F達到設定值後，通過N1-PXI純數字實時仿真裝置下達的指令通道切換信號，DC/AC換流器的V、F指令值將通過兩路AD採樣通道，從N1-PXI純數字實時仿真裝置的DA通道採集獲取。在此過程中，V，F指令從初始設定值VpFci切換到N1-PXI純數字實時仿真裝置給定值，即通道切換由N1-PXI純數字實時仿真裝置控制。
[0048](3)自同步運行模式
[0049]N1-PXI純數字實時仿真裝置對DC/AC換流器下達指令，選擇孤島運行模式，DC/AC換流器將根據實時的交直流實時信號，通過底層控制器就地控制DC/AC換流器，實現DC/AC換流器的V-F黑啟動、同期、併網過程。當DC/AC換流器併網開關K閉合後，其V-F指令將由電網側信號通過PLL確定。[0050]當DC/AC換流器完成併網後，DC/AC換流器的V、F給定值將通過兩路AD採樣通道，分別採集由N1-PXI純數字實時仿真裝置DA通道輸出的V、F指令參考模擬信號。
[0051](三)本實用新型一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺的數字/物理混合仿真方法包括:
[0052]( I)純數字實時仿真:
[0053]使用Matlab軟體(版本要求:2009以上)搭建simulink模型，編譯模型，安裝N1-PXI純數字實時仿真裝置自帶的軟體Veristand，配置Veristand Pro ject，將搭建的模型下載至純數字實時仿真裝置N1-PXI純數字實時仿真裝置裡面，利用仿真裝置實現純數字的實時仿真，在純數字實時仿真過程中可對電源的控制策略進行不斷完善。
[0054]( 2 )數字/物理混合仿真:
[0055]將修改完善後的純數字仿真模型中控制系統的輸入信號切換到仿真裝置實際的輸入信號，將控制系統的輸出信號通過仿真裝置控制實際的物理平臺，即將純數字仿真模型N1-PXI純數字實時仿真裝置中的DC/AC換流器部分替換成實際的物理平臺，進行數字/物理混合仿真。同時將數模混合仿真的運行結果與之前的純數字實時仿真結果進行對比、校驗，不斷對分布式電源仿真模型進行完善。
[0056]本實用新型對仿真平臺中分布式電源的DC/DC變換器二次控制接口包括對外開放接口的物理量、接口對外連接的方式(數字連接或模擬連接)、通信接口的通信協議以及模擬接口的信號量程等。
[0057]數據輸入接口:從分布式電源換流器採樣調理電路直接採取0-3V模擬信號，進入N1-PXI純數字實時仿真裝置數據採集板卡相對應的信號引腳，轉換為數位訊號後由FPGA進行數字處理，完成仿真計算。
[0058]數據輸出接口:從N1-PXI純數字實時仿真裝置數據輸出板卡輸出的模擬量直接送入相對應分布式電源換流器採樣控制單元，對分布式電源換流器進行外環控制。
[0059]總線控制=N1-PXI純數字實時仿真裝置通過總線控制將分布式電源換流器DSP、PXI硬體在環仿真平臺Veristand以及Matlab仿真平臺相結合,DSP控制器可以通過485/CAN通信與N1-PXI純數字實時仿真裝置進行信息交互，將換流器的信息直接通過通信傳送給Veristand平臺。也可以通過乙太網通信將Matlab仿真軟體中搭建好的控制模型直接燒寫到N1-PXI純數字實時仿真裝置中，通過對Veristand平臺進行相應配置，在N1-PXI純數字實時仿真裝置中實現相應控制功能。
[0060]實施例
[0061]中國電力科學研究院新能源研究所分布式新能源發電實驗室採用該方案搭建了基於N1-PXI的分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真實驗平臺。
[0062]如圖4所示，該實驗平臺由分布式電源、蓄電池組、系統負荷、N1-PXI純數字實時仿真裝置以及電網組成，其中分布式電源由56kW多晶矽光伏發電系統、IOkW單晶矽光伏發電系統以及30kW光伏模擬器組成，蓄電池組由40kWh、20kWh鋰電池構成。
[0063]該系統的核心設備為兩臺多模式分布式電源換流器和N1-PXI純數字實時仿真裝置，兩臺換流器由N1-PXI純數字實時仿真裝置根據系統當前運行模式下達控制命令進行實時控制。
[0064]當系統併網運行時，N1-PXI純數字實時仿真裝置向兩臺變流器下達併網運行指令，同時根據採集到的光伏發電功率以及蓄電池充放電狀態等數據計算變流器有功和無功功率參考值並下達響應指令。
[0065]當系統脫離電網獨立運行時，N1-PXI純數字實時仿真裝置向30kW分布式電源換流器下達獨立運行指令並通過通信方式下達電壓和頻率指令，此時整個系統的電壓和頻率由該換流器維持。同時，向IOOkW分布式電源換流器下達自同步運行指令，該換流器根據指令調節功率輸出以弱網模式與另一臺換流器並聯運行。
[0066]N1-PXI純數字實時仿真裝置與兩臺換流器的通信通道有數字量通道和模擬量通道兩種。數字量通道通過485通信和CAN通信兩種通信協議與換流器進行數字通信，用於下達各種控制模式指令和獲取換流器的運行狀態及發電數據。模擬量通道是N1-PXI純數字實時仿真裝置與兩臺換流器通過數據採集輸入輸出接口物理上的連接，用於直接採集換流器各輸入輸出埠的電壓電流等信息，轉換成數位訊號後送入CPU進行運算，根據搭建的數學模型得出運算結果再通過模擬量通道下達給換流器對其進行實時控制。
[0067]最後應當說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非對其限制，儘管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本實用新型的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和範圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。
【權利要求】
1.一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺，其特徵在於，所述平臺包括分布式電源、線路阻抗模擬裝置、系統負荷模擬裝置、N1-PXI純數字實時仿真裝置和電網； 所述分布式電源通過線路阻抗模擬裝置接入電網； 通過N1-PXI純數字實時仿真裝置，建立各種純數字的仿真模型並通過仿真裝置與電源的接口進行實驗平臺的數字/物理混合仿真運行； 所述電網友好型分布式電源包括可再生能源發電模塊、鋰電池儲能模塊、超級電容儲能模塊、DC/AC變換器和底層控制器。
2.如權利要求1所述的一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺，其特徵在於，所述可再生能源發電模塊、鋰電池儲能模塊和超級電容儲能模塊分別通過DC/AC變換器與直流母線並聯，構成功率可控的直流供電系統，該直流供電系統通過DC/AC換流器與交流系統相連，N1-PXI純數字實時仿真裝置搭建Veristand平臺對交直流混合供電系統內部的協調控制，構成電網友好型分布式電源。
3.如權利要求1所述的一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺，其特徵在於，所述DC/AC變換器採樣調理電路採取0-3V模擬信號，進入N1-PXI純數字實時仿真裝置數據採集板卡相對應的信號引腳，轉換為數位訊號後由FPGA進行數字處理完成數據輸入。
4.如權利要求1所述的一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺，其特徵在於，所述N1-PXI純數字實時仿真裝置數據輸出板卡輸出的模擬量直接送入相對應DC/AC變換器採樣控制單元，對DC/AC變換器進行外環控制完成數據輸出。
5.如權利要求1所述的一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺，其特徵在於，所述N1-PXI純數字實時仿真裝置通過總線控制將DC/AC變換器DSP、PXI硬體在環仿真平臺Veristand以及Matlab仿真平臺相結合，DSP控制器可以通過485/CAN通信與N1-PXI系統進行信息交互，將DC/AC變換器的信息直接通過通信傳送給Veristand平臺；或通過乙太網通信將Matlab仿真軟體中搭建好的控制模型直接燒寫到N1-PXI系統中，通過對Veristand平臺進行相應配置完成總線控制。
6.如權利要求1所述的一種基於N1-PXI分布式新能源發電系統的數字物理混合仿真平臺，其特徵在於，所述實驗平臺的數字/物理混合仿真包括將純數字仿真模型中控制系統的輸入信號切換到純數字仿真裝置實際的輸入信號，將純數字仿真模型中的DC/AC換流器部分替換成實際的物理平臺，進行的數字/物理混合仿真。
【文檔編號】G05B17/02GK203561844SQ201320697809
【公開日】2014年4月23日 申請日期:2013年11月6日 優先權日:2013年11月6日
【發明者】郝木凱, 李光輝, 何國慶, 鮑薇, 孫豔霞, 馮凱輝, 趙偉然, 孫樹敏, 李廣磊 申請人:國家電網公司, 中國電力科學研究院, 國網山東省電力公司電力科學研究院