基于RT-LAB的儲能變流器硬件在環實時仿真

(國網山西省電力公司電力科學研究院，山西 太原 030001)

1 引言

當今，風能、太陽能等新能源發電得到了全面發展，然而其不連續，不穩定，易受時間、季節和氣候等因素影響的特點對電力系統也產生了比較嚴重的影響。現今以電池儲能為代表的儲能技術的飛速進步為上述問題提供了良好的解決途徑，通過配合有效的控制策略，儲能系統可以實現對風能、太陽能等新能源發電的輸出功率平滑，調節電網電壓、頻率及相位的變化，提高供電質量，并增強可再生能源發電系統的運行穩定性電池儲能系統的關鍵核心為儲能變流器，它是實現電網與儲能電池能量交互的基礎，決定了電池儲能技術是否能在電力系統中被廣泛應用。因此，對電池儲能變流器的深入研究具有非常重要的現實和理論意義。

硬件在環仿真(hardware-in-the-loop simulation)又稱為半實物仿真，是計算機在進行仿真時引入部分硬件實物進行軟硬結合的仿真,是當今產品開發與設計的一個重要環節。半實物仿真系統能夠克服數學模型的不精確以及干擾等因素的影響，更加真實地反映系統的實際情況。通過硬件在環仿真，可以實現變流器的硬件控制系統與儲能電池、大電網、新能源發電系統模型的軟硬結合，大大方便了儲能變流器在新能源發電中應用的研究。

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司開發的一套實時仿真框架軟件包，主要用于快速控制原型、半實物仿真等。可以讓設計者將Simulink、SystemBuild等建模工具所搭建的數學模型，通過上位機和多臺目標機的模式，將仿真模型放置在實時仿真平臺上運行，從而方便地實現復雜的分布式實時仿真等工作，提高構建系統的快速性和靈活性[1]。

目前，RT-LAB在國內外已廣泛應用于航空航天、武器研制、汽車等各種領域。C.A.Rabbath等人通過運用RT-LAB實現了F-14的編隊飛行仿真；加拿大的Pratt&Whitney公司將RT-LAB用于發動機的仿真設計平臺中[2]。

本文將基于TMS320F2812芯片開發的儲能變流器嵌入式控制器與RT-LAB仿真系統相結合，實現了儲能變流器的硬件在環實時仿真，為儲能變流器在新能源發電等新興領域的應用研究奠定基礎。

2 RT-LAB實時仿真系統結構及原理

實時仿真是系統仿真模型的動態過程與實際系統的動態過程的時間進程完全相同的仿真研究。在產品開發與設計的過程中，實時仿真有以下幾點優勢：

① 節約時間：利用實時仿真可以在設計過程的初期就能發現問題，而且即使實際系統不可用，也可以進行設備的設計。

② 降低成本：相比于在實物條件下對設備的測試，實時仿真可以降低經濟成本，而且在不改變設備配置的情況下，實時系統可以實現更多可能情況的測試。

③ 增加測試功能：實時仿真系統可以將所有在現實世界中可能發生的情況在一個安全的模擬環境中進行測試。其有較高的靈活性，能夠快速修改測試系統的所有參數和信號。

仿真計算在計算步長上有定步長和變步長之分，但是在實時仿真系統中必須采用固定的步長。在這個時間范圍內，處理器讀取輸入信號，如傳感器信號，執行所有必需的計算，如控制算法，給出所有的輸出，如控制執行機構。

RT-LAB實時仿真系統可以進行實時仿真、快速控制原型和硬件在回路測試。它的獨創之處在于可以把復雜的模型劃分成多個并行執行的子系統模型,再把這些子系統分配到多個目標機節點(或CPU)上,從而構成一個可伸縮的分布式并行實時仿真系統。

RT-LAB和Matlab/Simulink可實現無縫連接,在Matlab/Simulink環境下,首先對要仿真的系統進行數學建模,并對模型進行一定的實時化處理,然后按照RT-LAB下模型的分割方法對數學模型進行分割、編輯、編譯、C代碼生成等操作,轉化為可在目標機上運行的實時代碼,最后進行加載運行。圖1為RT-LAB環境下系統的仿真實現流程圖[5]。

圖1 RT-LAB仿真實現流程圖

3 基于SVPWM的儲能變流器

圖2 PWM整流器的拓撲結構圖

圖2三相電壓型PWM整流器(VSR)的拓撲結構圖，其中主要包括交流側電感L、功率開關管和交流濾波電感的合并等效電阻R、直流側輸出電容C以及全控開關器件(IGBT)及其續流二極管[6]。

首先定義一個單極性二值邏輯開關量sk=1，其中sk=1表示上橋臂導通，下橋臂關斷；sk=0表示上橋臂關斷，下橋臂導通，其中k=a,b,c。根據KCL，KVL公式可得到VSR在三相靜止坐標系下的微分方程。

(1)

由三相對稱系統可得

(2)

利用CLARK和PARK坐標變換將三相靜止坐標系(a，b，c)轉換成以電網基波頻率同步旋轉的坐標系(d，q)，可得整流器在兩相旋轉坐標系下的數學模型如下:

(3)

式(3)中的Udcsd和Udcsq為三相橋交流測電壓空間矢量的d、q軸分量，可令Ud=Udcsd，Uq=Udcsq。因此可引入控制量Ud、Uq來實現解耦控制，其中控制量為：

(4)

其中ed=Em，eq=0(Em為三相交流電源的電壓幅值)。

本文所涉及的儲能變流器的嵌入式控制器采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制原理來實現PWM整流器的控制。其控制框圖如圖3所示，其中電壓外環主要用來控制整流器直流側電壓，電流內環則根據電壓外環輸出的直流指令，實現單位功率因數正弦波電流控制，以達到跟蹤指令電流穩定直流側電壓的目的。控制器是利用空間電壓矢量調制(SVPWM)的原理生成PWM波來驅動三相橋以實現對變流器的控制。

圖3 儲能變流器的雙閉環控制框圖

4 RT-LAB硬件在環實時仿真系統的建立

RT-LAB半實物實時仿真系統硬件部分包括變流器嵌入式控制器、RT-LAB仿真主機和仿真目標機，軟件部分包括Matlab/simulink、RT-LAB主程序、ARTEMIS工具箱和RT-Events工具箱等，本系統的結構框圖如圖4所示。

圖4 實驗系統的結構框圖

在該實驗系統中，儲能變流器的主電路利用RT-LAB仿真器實現，其控制部分利用儲能變流器的嵌入式控制器來實現。首先利用simulink搭建儲能變流器和儲能電池的仿真模型，將其交流測和直流側的電壓和電流通過模擬輸出板卡輸出以供控制器采樣，然后控制器將通過上文所述的控制環節產生的六路PWM波經RT-LAB仿真目標機的數字輸入板卡輸入到仿真模型中控制三相橋的六個IGBT管，以此來實現整流以及逆變。本實驗系統的原理圖如圖5所示。

圖5 實驗系統的原理圖

變流器的三相橋由控制器產生的六路PWM波驅動，因此PWM信號采集的精度決定了仿真結果的正確與否。然而對于實時仿真來說，其仿真步長都是定值，信號只能在確定的間隔時刻被處理,但實際情況中PWM信號的電平值可能會在兩個步長之間產生跳變。此時，由于離散的步長限制,模型采集到的PWM脈沖的跳轉只能推遲到下一步長時刻才能發生,如圖6所示。這樣就造成了采集到的PWM信號脈沖寬度和脈沖時刻的誤差，但是這種誤差在仿真過程中是絕不允許的。

圖6 PWM信號采集的誤差

在RT-LAB仿真系統中，RT-Events工具箱配合FPGA I/O板卡可以很好地解決脈沖事件不能正確產生或者捕捉所造成的問題。該工具箱中的控件能生成或處理RTE格式的信號，RTE信號可以分解為兩個向量：邏輯狀態和時間戳，其中時間戳為關于狀態跳變的時間信息，因此RTE信號可以準確記錄單個時間步長中信號產生的任一事件，從而結合FPGA板卡能夠精確地采集到輸入的PWM信號。在建模時，用RT-Events的模塊取代那些受事件影響的模塊，就可以在仿真時消除數字信號采集的誤差。

用Simulink搭建仿真模型時，必須進行頂層子系統的封裝，而且所有頂層子系統都必須以一個前綴命名，以此來區分它們的功能，這些前綴為SM_、SC_和SS_。SC_子系統負責對仿真系統中的關鍵參數、曲線進行實時監控或事后處理子系統間的數據通信,程序中包括了采集和顯示數據的基本組塊，與其他所有子系統異步運行。SM_子系統負責模型的實時計算和網絡同步。當整個系統通過多節點實現分布式處理時，模型中須包括SS_子系統，此時子系統中也包含模型的計算單元。分割好的模型中只能包括一個SC_子系統,一個SM_子系統和若干個SS_子系統。本文所述的仿真系統中，一個節點可以滿足運算需求，所以模型中只包括SM_子系統，模型如圖7所示。

圖7 實時仿真模型的主程序

圖8為實驗模型中的SM_子系統，其中主要包括三相電源、儲能變流器以及蓄電池的仿真模型，還包括模擬信號輸出單元和數字信號輸入單元等。變流器中使用的三相橋為RT-LAB開發的高阻態三相橋，其驅動的門極信號為RTE信號。OP5142EX1 AnalogOut為RT-LAB的模擬輸出驅動模塊，實現變流器交直流兩側電壓和電流信號的模擬輸出以供控制器進行采樣，其中電流信號也是轉變為電壓信號進行輸出的。OP5142EX1 EventDetector為數字輸入驅動模塊，實現PWM信號的精確采集。OP5142EX1 Ctrl為配合FPGA板卡的同步驅動模塊。

圖9為模型中的SC_子系統，實現變流器交流側A相電壓Va和電流Ia、直流側電壓Vdc和電池狀態的顯示。因為三路信號的讀取參數一致，所以只采用一個Opcomm同步模塊。

5 實驗結果及分析

本實驗的實時仿真波形如圖10、11所示。其中，圖10為恒流200A對電池充電仿真時A相的電壓及電流波形；圖11為恒流200A對電池放電仿真時A相的電壓及電流波形。

對上述實驗波形分析可得，充電仿真時，其功率因數幾乎為1，放電仿真時，其功率因數接近-1，而且其交流側電流波形基本為正弦波形。由此可以看出，基于SVPWM的電壓電流雙閉環控制原理可以實現儲能變流器的高功率因數的精確控制；利用RT-LAB充當變流器的主電路拓撲以及儲能電池，并結合變流器的嵌入式控制器，可以完成儲能變流器的硬件在環實時仿真及算法驗證，為其控制算法的二次開發提供了簡單快捷有效的驗證實驗平臺，為儲能變流器在新能源發電等新興領域的應用研究奠定了堅實的基礎。

圖8 主程序中的SM_部分程序

圖9 主程序中的SC_部分程序

圖10 200A恒流充電仿真時A相的電壓電流波形

圖11 200A恒流放電仿真時A相的電壓電流波形