基于RTDS的微電網協調控制器仿真測試研究

羅 飛，王晨清，鄭明忠，楊 毅，許佳佳，易文飛，卜強生，高 磊，袁宇波

（1.國網江蘇省電力有限公司 電力科學研究院，南京 211103；2.國網江蘇省電力有限公司 無錫供電分公司，江蘇 無錫 214000）

0 引言

協調控制器是微電網的指揮中樞，有著靈活控制電力血液流動的功能［1］。目前，微電網協調控制器還處在實驗室開發研究階段，尚未實現大規模工程應用［2］，關于微電網協調控制器的研究較少。文獻［3］為完善儲能協調控制器的測試方法和手段，搭建了儲能協調控制器檢測平臺，但該平臺僅能實現信號對點和模擬量采集功能，不能對儲能系統進行詳細仿真。文獻［4］為研究大規模儲能電站的拓撲、參數及控制策略，基于Simulink 搭建了儲能電站模型，但該模型不能實現實時仿真，無法與外部實際設備進行連接，仿真僅停留在純理論層面，無法結合實際裝置做進一步研究。文獻［5］為簡化變電站日常維護工作，設計并實現了變電站自動化仿真測試系統，但該系統僅能從通信層面上解決信號對點問題，對于設備的性能、邏輯、及設備之間的配合測試則無法實現。綜上，目前關于微電網協調控制器的研究相對較少，且對于類似微電網協調控制器等設備的檢測方法或停留在軟件模擬對點階段，或直接進行真型試驗場測試，前者無法對其功能、內部邏輯、響應時間、運行可靠性等性能進行實驗室測試，后者測試方法復雜、周期長、成本高，需要耗費大量資源。

為加快協調控制器的開發進程、服務協調控制器的工程應用、提高微電網的建設效率，本文在實時數字仿真系統（real time digital simulation system，RTDS）［6］環境下搭建了包含全要素的微電網電氣部分仿真測試平臺，設計了協調控制器與RTDS 之間的實時通信交互組網方案，并在此基礎上，對協調控制器的核心功能進行了實時閉環仿真測試。本文搭建的全要素綜合能源電氣仿真系統及設計的協調控制器與RTDS之間的實時通信交互組網方案對于未來微電網的仿真測試具有重要借鑒意義。

1 微電網電氣部分典型拓撲架構

1.1 典型拓撲架構

微電網具有多能互補、多站融合的特點，不僅可以為現有電網提供電壓和頻率支撐，更能夠促進社會資源和資本進入電力系統，共同參與電力市場，提高資源利用效率，提升用電綜合能效。微電網的典型元素主要包括電源和負荷2 大類，電源包括分布式光伏和儲能，負荷包括5G 基站、數據中心和充換電站等新型高可靠性負荷。

為適應分布式光伏和儲能以及5G基站、數據中心和充換電站的接入，微電網電氣部分可以采用交流組網和交直流混合組網2種方式。

交流組網方式憑借其在經濟性方面的優勢成為目前大部分已建成的微電網電氣部分和綜合能源系統廣泛采用的組網方式，但由于光伏、儲能等直流電源及直流充電樁等直流負荷自身的輸出和輸入特性，往往需要給每臺設備都配置小容量AC/DC 轉換模塊，該方式使得微電網內逆變器數量眾多，設備內部控制復雜，微網間能量流動損耗大。

交直流混合組網方式是近年來逐漸興起的新型組網方式，其采用集中統一的大容量AC/DC 變換器構建統一直流母線，微電網中的光伏、儲能和充電樁等都可以直接通過該直流母線并網，節省了大量的小容量AC/DC 轉換模塊，減小了微網間能量流動的損耗，提高了微電網的運行效率。受限于目前交直流混合組網方式產品較少、普遍采用定制化的方式，雖成本較高，但隨著未來半導體技術的發展以及直流配電網技術的不斷成熟，交直流混合組網方式的微電網將成為未來微電網的發展方向。本文將交直流混合組網方式的微電網作為研究對象，建立了交直流混合組網方式的微電網電氣部分仿真測試模型。

1.2 關鍵設備

微電網電氣部分包含10 kV 交流系統、380 V交流系統及±375 V 直流系統，關鍵設備包括微電網協調控制器、AC/DC 變換器［7—8］、DC/DC 變換器、儲能電池［9］、光伏［10］、充電樁、數據中心和5G 基站。為充分模擬交直流混合組網方式下的微電網，本文基于RTDS 實時仿真平臺建立了拓撲的全要素微電網電氣模型，如圖1 所示。

圖1 全要素微電網電氣部分拓撲Fig.1 Electrical topology of all?element micro grid

1.2.1 變換器

AC/DC變換器采用兩電平電壓源換流器，控制方式采用內外環雙環控制，運行模式包括定電壓控制模式、定有功功率控制模式和交流孤島控制模式3種。

DC/DC變換器采用非隔離型BUCK?BOOST原理，運行模式包括定電壓控制模式和定功率控制模式。

1.2.2 儲能電池、光伏及負荷

儲能電池采用RTDS中的鋰離子電池模型，光伏采用受控電流源模型等效，數據中心、5G基站等交流負荷采用恒功率負載等效，充電樁用電阻等效。

2 協調控制器

協調控制器使用自主研發的微電網協調控制裝置，如圖2所示。其具有一鍵式啟停、一次調頻及備用電源等功能。

圖2 協調控制器Fig.2 Coordination controller

2.1 一鍵式啟停

圖1 所示拓撲結構中，包含AC/DC 變換器和多個DC/DC 變換器，傳統方式下，需要先選定換流器的控制模式，然后再執行啟停機操作，且在啟停機過程中需要注意先啟定電壓換流器和先停定功率換流器，否則系統無法維持穩定。但本文的協調控制器在執行換流器啟停機操作時，無需選擇換流器控制模式，直接執行啟停機，協調控制器會根據當前系統的運行狀態，自動設定換流器的控制模式，并可以實現換流器的模式在線自動切換。一鍵啟停的流程如圖3 所示，圖中所有流程均為裝置自動流程，無需手動選擇。

圖3 一鍵式啟停流程Fig.3 One?key startup and shutdown process

2.2 一次調頻

分布式綜合能源站協調控制器各自根據自己并網點的頻率，按照圖4 所示綜合能源站一次調頻曲線，調整儲能的充放電功率，進而改變綜合能源站并網點的接口功率，實現分布式綜合能源站一次調頻功能，功率調節量ΔP與頻率f之間的關系如式（1）所示。當分布式綜合能源站的數量和規模足夠大時，能夠對大電網頻率起到支撐作用。

圖4 功率調節量與頻率關系Fig.4 Relationship of power adjustment and frequency

式中:fL=50-fd，fH=50+fd。fd為一次調頻死區；fN為系統額定頻率；Pe為一次調頻控制對象額定容量；δ%為新能源一次調頻調差系數；P0為一次調頻控制對象有功功率初始值；fxfl為頻率調節下限；fxfh為頻率調節上限。

2.3 備用電源

如圖1所示，正常運行時，AC/DC處于定電壓狀態，儲能DC/DC 處于定功率狀態，當失去交流380V電源時，AC/DC 失去電源，無法繼續維持直流電壓，此時協調控制器會進入備用電源模式，將儲能DC/DC自動切換為定電壓模式，AC/DC切換為孤島控制模式，實現對數據中心等重要負荷的不間斷供電。

協調控制器的一鍵式啟停、一次調頻及備用電源3 大功能相互獨立，互不影響。一鍵式啟停功能方便了現場設備的運維；一次調頻提高了綜合能源站對電網的頻率支撐；備用電源功能實現了綜合能源站對重要負荷的高可靠性供電。

3 通信組網方案

本文利用RTDS模擬交直流混合組網方式下的微電網與協調控制器搭建閉環仿真系統，具體通信組網方案如圖5 所示。模型中，交流10 kV 與交流380 V 電壓電流從RTDS 的GTAO 板卡輸出，經功率放大器輸入到協調控制器；直流±375 V電壓從RTDS的GTAO 板卡輸出，經小電流接口轉換裝置轉變為4～20 mA小電流信號輸入到協調控制器；所有開關狀態通過RTDS的GTDO板卡輸出到協調控制器；開關控制信號由協調控制器輸出，經GTFPI 板卡輸入到RTDS；儲能換流器通過接口裝置采用GOOSE協議與協調控制器通信；光伏及充電樁通過RTDS的GTNET板卡采用Modbus協議與協調控制器通信。

圖5 通信組網方案Fig.5 Communication networking scheme

4 仿真測試

為測試綜合能源協調控制器的控制性能，基于前文搭建的協調控制器與RTDS 實時仿真交互系統，對協調控制器的一鍵式啟停、一次調頻及備用電源功能進行仿真驗證，仿真系統中的參數設置及仿真測試結果如表1所示。

表1 仿真系統參數Table 1 Parameters of simulation system

4.1 一鍵式啟停

通過協調控制器分別給AC/DC 和儲能DC/DC發送啟停機指令，模擬AC/DC 單獨啟停機和儲能DC/DC 單獨啟停機，以及雙方在對方已經啟機成功并建立直流電壓后啟停機，確認AC/DC和DC/DC能夠按照協調控制器的控制邏輯，根據當前系統的運行狀態自動切換AC/DC 和DC/DC 的控制模式。不同工況下的啟停機過程如表2所示。

表2 不同工況下的啟停機過程Table 2 Start and stop process under different working conditions

由表2可知，AC/DC和儲能DC/DC均啟機后，前者處于定電壓狀態，后者處于定功率狀態，以該模式為例，圖6展示了該運行模式下，直流電壓電流及交流電壓電流的波形。

圖6 微電網正常運行時電流電壓Fig.6 Current and voltage during normal operation of micro grid

4.2 一次調頻

為驗證協調控制器的一次調頻功能，通過改變交流380 V母線上的交流負荷模擬功率突變，電源會瞬間補充由負荷功率突變所引發的功率缺額，進而導致系統頻率的降低，此時協調控制器檢測到頻率變化，根據一次調頻曲線，計算出新的功率指令值，改變儲能DC/DC的功率，實現微電網的一次調頻，仿真結果如圖7所示。

圖7 一次調頻仿真結果Fig.7 Simulation results of primary frequency modulation

從圖7可以看出，系統頻率在越死區（49.95 Hz）后85 ms左右，儲能DC/DC的功率指令開始變化，響應時間符合相關標準要求。另外，通過與協調控制器一次調頻功能退出的工況進行對比可以發現，協調控制器在系統發生負荷突變時，能夠降低頻率波動幅度，有利于維持系統穩定，提高系統運行可靠性。

4.3 備用電源

當交流10 kV母線發生故障且交流380 V母線的母聯開關備投功能失效時，協調控制器通過判斷交流380 V母線的帶電狀態和母聯開關的狀態，自動將儲能DC/DC轉換為定電壓控制模式，將AC/DC轉換為孤島控制模式，維持交流380 V母線電壓，保證交流380 V 母線上的數據中心、5G 基站等高可靠性負荷的不間斷供電。仿真開始時，AC/DC 運行于定電壓模式，儲能DC/DC運行于定功率模式，交流380 V母聯開關備投功能退出狀態，數據中心、5G基站等負荷由交流系統供電，然后斷開10 kV進線開關，儲能DC/DC 與AC/DC 在協調控制器的作用下，分別自動切換為定電壓控制模式和交流孤島控制模式，該狀態下，數據中心、5G基站等負荷由直流系統供電，直流側電壓電流和交流側電壓電流波形如圖8所示。

圖8 備用電源方式下系統電流電壓Fig.8 System surrent and voltage in backup power mode

5 結束語

協調控制器作為微電網的“大腦”，承擔著一鍵式啟停、一次調頻、備用電源等功能。為充分驗證協調控制器的性能，本文基于RTDS 實時仿真平臺，搭建了包含AC/DC、DC/DC、儲能、光伏、充電樁、數據中心等元素的微電網電氣仿真系統，并通過GOOSE、Modbus 等協議實現RTDS 與協調控制器的通信，構成閉環實時仿真系統。通過仿真，驗證了協調控制器的一鍵式啟停、一次調頻、備用電源等功能，為協調控制器在工程現場的應用奠定了基礎。同時，本文搭建的微電網電氣仿真系統以及綜合能源電氣仿真系統與協調控制器之間的通信組網方案對于未來微電網仿真測試具有借鑒意義。

另外，本文關于微電網協調控制器的研究也存在諸多不足。例如:本文的建模只包含電氣部分，未充分考慮冷熱氣等元素，協調控制器對于冷熱等元素的控制功能在仿真模型中不能夠得到閉環驗證；對于多并網點的綜合能源系統，本文的協調控制器一次調頻功能難以適用；當微電網拓撲發生變化時，協調控制器的控制邏輯需要相應的變化，普適性不足等。未來，將針對以上問題，進一步優化協調控制器的功能邏輯，增強其對于多并網點微電網和多種不同拓撲微電網的適應性，在實驗室引入冷熱氣等元素的實時仿真裝置和設備，完善微電網模型。