基于NI PXI和cRIO的微電網仿真控制實驗平臺設計

王 慧, 王 毅, 孟建輝, 付 超

(華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室, 河北 保定 071003)

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基于NI PXI和cRIO的微電網仿真控制實驗平臺設計

王 慧, 王 毅, 孟建輝, 付 超

(華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室, 河北 保定 071003)

為開展微電網控制技術實驗教學,設計了一種集開發(fā)和測試于一體的微電網仿真控制實驗平臺。該平臺由NI PXI、cRIO和上位機構建而成。PXI部署微電網主電路及非重點關注單元的就地控制數字模型；本地cRIO部署重點關注單元的就地控制模型；遠程cRIO作為微電網協調控制器；上位機則實現能量管理及人機交互功能,形成了一套多層次的微電網實時仿真及硬件在環(huán)控制系統。

微電網； 實時仿真； 分布式發(fā)電； NI PXI； cRIO

微電網是一種將分布式電源、儲能系統和負荷等有機整合的小型發(fā)、配、用電系統。目前,國內很多科研院所建立了微電網物理仿真實驗平臺,但平臺的建設周期長、資金投入大,并且主要是為科研工作而量身定制,不適用于教學實驗。

隨著計算機輔助設計的發(fā)展,結合物理仿真和數字仿真優(yōu)點的快速控制原型(rapid control prototype,RCP)和硬件在環(huán)仿真(hardware in loop,HIL)技術應用已日漸廣泛,在微電網實驗平臺建設、微電網能量管理系統建設方面取得了一些成果[1-3]。文獻[4]提出了一種微電網設計方案,微電網主電路與相關控制模型部署在實時仿真平臺RTDS,分布式電源控制系統和微電網運行與綜合監(jiān)控系統是真實的控制器,實現軟件和硬件結合的閉環(huán)仿真,但該方案采用了價格昂貴的RTDS和多個真實的控制器。

筆者基于美國NI公司的PXI(PCI eXtensions for instrumentation)和cRIO(compact reconfigurable input/output),設計了一種集開發(fā)和測試于一體的實驗平臺,形成了包含本地控制、協調控制和能量管理的多層次開發(fā)和測試體系。

1 微電網仿真控制實驗平臺設計

1.1 RCP和HIL概述

RCP技術是一種實時仿真技術,適用于控制算法設計階段[5]。如圖1所示,通過上位機將控制算法下載到虛擬控制器,實時處理器通過I/O接口與被控對象實物相連并進行仿真,根據仿真結果對控制算法進行調整,直到滿足系統設計要求。在確定控制算法后,通過自動代碼生成技術，將程序下載至實際控制器并形成產品。該開發(fā)方法能顯著縮短開發(fā)周期并降低開發(fā)成本。

圖1 快速控制原型開發(fā)體系

HIL仿真系統架構如圖2所示。當已完成控制系統設計并已制成樣品,需在閉環(huán)下進行詳細測試時,往往由于多種原因(如極限測試、失效測試或在真實環(huán)境中測試費用較高)而難以進行,于是需要在虛擬控制對象中仿真物理上并不存在的控制對象,從而全面驗證實際控制器產品質量及控制算法可靠性[6]。

圖2 硬件在環(huán)仿真系統架構

1.2 微電網實驗平臺設計方案

由RCP和HIL系統架構可知,它們主要適用于微電網各單元本地控制系統,當用于微電網層級控制系統時,主要存在兩個問題:

(1) 采用單個控制器通過I/O接口控制微電網各單元,由于單元數量眾多,需要I/O模塊數量多并且接線復雜,會對系統的穩(wěn)定性造成影響,并且這種控制方案不符合實際情況；

(2) 采用多個本地控制器通過I/O接口控制設備單元,一個協調控制器通過通信控制各設備單元,這種分布式控制系統能與現場保持一致,但系統建設成本過高,不適合大規(guī)模推廣應用。

微電網控制是一個多層次的控制體系[7-8],實驗平臺將微電網主電路和非重點關注的就地控制系統部署在虛擬控制對象,重點關注的就地控制系統部署在控制器,能節(jié)省控制器資源、降低實驗平臺建設成本。

本文采用的微電網控制體系分為3層(見圖3)。

第一層部署在PXI和本地cRIO的微電網單元本地控制層,該層就地控制微電網中微電源、儲能系統和負載,實現微電網內關鍵負荷的低頻、低壓減載等功能。

第二層是部署在遠程cRIO中的協調控制層,該層通過分析微電網中電壓、頻率等實時信息對微電網進行協調控制,提高電能質量。

第三層是部署在上位機的能量管理層,該層以微電網系統經濟運行為目標,根據功率預測、SOC(state of charge)狀態(tài)和負載情況擬定發(fā)電、儲能和用電最優(yōu)計劃,對分布式電源進行優(yōu)化調度、合理分配出力,實現微電網的優(yōu)化運行。

圖3 微電網實驗平臺設計方案

該實驗平臺貼近實際工程應用,PXI和本地cRIO通過模擬和數字I/O硬連接,其他設備通過TCP/IP進行通信[9]。該平臺實現了微電網控制系統開發(fā)和測試一體化。當開發(fā)微電網控制系統時,可以在本地控制器、協調控制器和上位機上進行快速控制原型開發(fā)；當測試微電網實際控制器質量及算法可靠性時,可用實際控制器替代虛擬控制器進行硬件在環(huán)仿真測試。

2 微電網實驗平臺實現

隨著電網中風電裝機容量的提高,風電功率輸送、消納等并網問題已逐漸凸顯。將風電與高耗能工業(yè)結合將成為未來解決風電消納和降低工業(yè)生產成本的可行方案之一[10-11]。本文以風電海水淡化孤立微電網為例,論述該實驗平臺的具體實現方法。

2.1 微電網建模

在PXI中建立的風電海水淡化孤立微電網拓撲結構如圖4所示,包括雙饋風電機組、超級電容器、蓄電池組、海水淡化裝置、日常負荷,儲能系統的就地控制單元部署在本地控制器。海水淡化裝置是一種階梯可控負荷,可通過逐級啟停水泵等內部設備調節(jié)負荷功率,在建模時采用背靠背雙PWM全控整流橋+異步電動機+反滲透單元的拓撲結構模擬其負荷特性。

圖4 風電海水淡化孤立微電網拓撲結構

2.2 微電網協調控制

微電網中雙饋風電機組是主力分布式電源。為充分利用風電資源,風電機組長期處于捕獲最大風能運行狀態(tài),特殊情況下才限制風電出力。超級電容器采用壓頻控制，平抑較快的功率波動,蓄電池組采用定功率控制,每隔15 s更新一次功率參考值,平抑較慢的功率波動。儲能單元為主控單元,用于維持電網頻率、電壓的穩(wěn)定。海水淡化裝置參與系統功率協調,保證系統在安全、穩(wěn)定運行的基礎上,盡量減少儲能單元的容量配置。

微電網協調控制主要是有功控制,其輸入、輸出及約束條件如圖5所示。

圖5 cRIO協調控制器

cRIO實時采集風電機組功率PWi、負荷功率PLi、儲能荷電狀態(tài)SOCCi和SOCBi等數據,以負荷功率PL和儲能荷電狀態(tài)SOC為約束條件,根據微電網協調控制算法下發(fā)指令PLo、PBo、Stop和Limit,階梯控制海水淡化裝置的功率、蓄電池組充放電、系統停機和限制風電出力。具體過程如下[12]:

(1) 當PW

(2) 當PL

(3) 當PL=PW時,系統功率平衡,儲能系統處于待機狀態(tài)。

2.3 微電網能量管理

微電網能量管理功能在上位機實現。針對包含風電機組、儲能系統及海水淡化裝置的獨立微電網系統,采用了基于風速預測的微電網實時能量管理調度策略。該策略根據風速預測結果和儲能系統狀態(tài),分析蓄電池組、風電機組的損耗成本和海水淡化收益,制訂海水淡化負荷的投切計劃和風機輸出功率的限制指令,從而在保證系統穩(wěn)定運行的基礎上,有效提高系統的總體收益。

3 實際運行效果

在新能源電力系統國家重點實驗室建立了如圖6所示的實驗平臺。微電網主電路及非重點關注單元就地控制的數學模型部署在PXI；重點關注單元就地控制程序部署在本地cRIO；協調控制程序部署在遠程cRIO；能量管理系統部署在上位機。各設備間硬線連接較少,使得接線變得相對簡單。

圖6 微電網實驗平臺

為方便用戶進行實驗,上位機人機交互界面設計了系統配置、實時監(jiān)控、實時曲線、事件記錄和歷史數據等5個功能模塊。

實時監(jiān)控界面如圖7所示。該界面包括實驗控制、統計信息、風速預測和系統拓撲4個部分,其中系統拓撲部分顯示系統頻率、電壓、風電出力、儲能出力、負荷等信息。為了提高程序的通用性,當仿真模型的拓撲結構變化時,可以在界面上靈活地增加或刪除元件,并實現顯示數據與模型數據自動映射。

圖7 上位機實時監(jiān)控界面

實時曲線界面有導出數據的按鍵,能導出協調控制下風電機組、儲能系統和負荷的功率、荷電狀態(tài)等波形數據。

圖8為風速降低時導出的波形:初始風速6 m/s,風電功率32.5 kW,5 s時風速降為4 m/s,風電機組出力快速減小,風電功率已經不能滿足負荷要求。此時,超級電容器在恒壓恒頻控制策略下開始放電,SOCC下降的同時減負荷運行,以緩解超級電容的壓力。由于風電機組出力繼續(xù)降低,超級電容器持續(xù)放電(PC>0),導致SOCC跌落至40%左右。15 s時,蓄電池組根據此時風電機組與負荷間的功率差額,更新功率參考值,由-12 kW變?yōu)?4 kW,分擔了超級電容器的調節(jié)壓力；PC快速恢復至接近于0,SOCC緩慢升高。

圖8 風速降低時功率和荷電狀態(tài)變化趨勢

圖9為風速增加時導出的波形:初始風速5 m/s,風電功率大致能滿足負荷要求,5 s時風速增加,風電機組出力快速抬升,風電功率能滿足負荷要求并且富余。此時,超級電容器充電SOCC上升的同時增負荷運行。由于風電機組出力繼續(xù)增加,超級電容器持續(xù)充電(PC<0),SOCC升高至80%左右。15 s時,蓄電池組更新功率參考值,由2 kW變?yōu)?9 kW,避免了風電機組對超級電容器繼續(xù)充電；PC快速升高,并接近于0,SOCC緩慢下降。

實際運行效果表明,該實驗平臺符合現場實際情況,接線簡單、運行穩(wěn)定、界面友好,可以快速開發(fā)微電網控制系統原型,并測試實際微電網控制器質量及算法可靠性,實驗教學效果良好。

4 結語

基于NI PXI和cRIO的微電網仿真控制實驗平臺,硬件由PXI、cRIO和上位機組成,軟件對應微電網數字模型、本地控制器、協調控制器和能量管理系統。實際運行與控制實例表明,該實驗平臺接線簡單、運行穩(wěn)定、界面友好,是一種集開發(fā)和測試于一體的實驗系統,為學生深入學習微電網控制技術提供了簡便、靈活的實驗平臺。

References)

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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

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金項目(13MS76)

王慧(1982—),男,湖北潛江,碩士,工程師,主要研究方向為電力電子技術在電力系統中的應用.

E-mail：wanghui@ncepu.edu.cn

TM614

A

1002-4956(2016)11-0139-04