基于RTLAB仿真平臺的新能源機組硬件在環仿真

胡 畔，曹 侃，葉 暢，江克證

（國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430072）

0 引言

近年來，湖北省新能源發展迅速。十四五期間預計將會爆發式增長。新能源的隨機性和波動性導致部分地區電網運行控制及新能源消納壓力較大。傳統機電暫態的仿真技術通常基于基波相量的準穩態模型，步長一般在ms級［1］，主要關注電力系統在經受大擾動及小擾動后系統的穩定性，因此往往只能關注系統在工頻及其附近范圍的動態穩定性［2］。對于電力電子毫米級及微秒級的過程，機電暫態仿真難以滿足，需要基于電磁暫態仿真技術開展系統研究。

光伏逆變器、風電變流器等作為新能源電站的核心部件，如何對其電網適應性，故障穿越性能和保護性能進行有效檢測、督促主流廠家技術整改落實到位，成為保證新能源電站安全穩定并網的關鍵措施［4-6］。然而目前針對新能源控制系統測試的傳統實現方式是在現場搭建真實設備，或在實驗室建立電力測試臺架或全套測試系統上進行。雖然這種方法能夠保證測試的準確性，但同時存在造價昂貴，效率低和有潛在危險的缺點［7-8］。近年來，基于實時分布式仿真測試技術，如RTDS、RTLAB、ADPSS 得到了廣泛的應用［3］。硬件在環HIL（hardware in loop）技術能夠替代這種傳統測試方法提供解決方案［9-11］。在HIL 仿真中，使用物理仿真模型來替代真實的電力設備，實時運行在仿真機上，此仿真機配備了與控制器系統和其他系統連接的輸入與輸出（IO）接口裝置。HIL仿真器通過建立物理仿真模型就可以模擬出被測對象傳感器和執行器動態特性，實現復雜的閉環測試，則不需要在真實系統上測試［12］。硬件在環（HIL）基于仿真器通過計算模擬電力系統一次部分實時地將控制保護裝置需要的電壓、電流量通過物理接口和功率放大器發送給控制保護裝置，同時采集控制保護裝置返回的控制信號，進而影響被仿真系統的運行，從而形成閉環，全面檢驗控制裝置動作特性及其動作方式對所在系統的影響［13］。中國電科院、冀北電科院、海軍工程大學等科研機構的青睞，該技術被廣泛應用于張北示范工程、渝鄂背靠背直流輸電工程［14-15］。

針對此，本文提出了一種基于RTLAB仿真平臺的新能源機組硬件在環仿真技術，建立了兩類新能源機組硬件在環仿真平臺，提出了新能源機組硬件在環仿真實施步驟。基于湖北隨州某新能源電站的機組開展了硬件在環實際仿真工作，證明了本文所提出的硬件在環仿真方法的有效性。

1 主要方案及步驟

1.1 總體架構及步驟

如引言所述，常見的實時分布式硬件在環技術主要包含RTDS、RTLAB、ADPSS。RT-LAB 優勢在于電力電子在電力系統中的應用，新能源模型豐富，接口擴展性強，對第三方兼容性好，小步長仿真技術領先，適合新能源仿真與測試；RTDS優勢在常規電力系統中的應用，但劣勢在于不擅長電力電子小步長仿真，且系統封閉性，對第三方軟硬件兼容差；ADPSS優勢在大規模機電暫態仿真分析，但新能源模型不夠豐富，接口兼容性和擴展性較差，所以更適合做大電網的機電暫態全數字仿真，比如電網運行分析，不適合做新能源檢測平臺或者功率級測試。以RTDS 與RTLAB 為例，主要仿真特點及應用場合對比如表1。

表1 RTDS與RTLAB仿真特點對比表Table 1 Simulation characteristics comparison of RTDS and RTLAB

基于RT-LAB的新能源硬件在環測試平臺包含硬件部分和軟件部分。硬件部分主要由上位機和實時仿真機組成。系統采用開放架構，基于標準總線和工業用實時RedHat Linux 操作系統，系統軟硬件均具有升級和擴充能力，支持第三方多種板卡擴充。本系統為分布式系統，模塊化設計，在滿足用戶技術要求的基礎上，具有良好的靈活性和擴展性，可進行軟硬件的擴展，可滿足包括仿真規模的擴展、功能上的擴展、硬件I/O數量和各種總線類型的擴容等。

軟件部分采用分布式實時仿真管理軟件。軟件部分具有模型開發、編譯、自動代碼生成、自動代碼下載、仿真執行、參數在線調整、上位機與仿真機通訊、仿真機內CPU之間實時通訊、仿真數據的實時存儲和回放等功能。

該硬件在環測試平臺由3 部分組成，分別是試驗管理分系統、實時仿真分系統和信號接口分系統，其系統原理圖如圖1所示。

圖1 基于RT-LAB硬件在環測試平臺原理圖Fig.1 Schematic diagram of RT-LAB-based hardware-based in-the-loop test platform

試驗管理分系統是上位機系統，具有模型開發、試驗管理、自動測試和圖形監控等功能。

實時仿真分系統是下位機系統，是整個系統的核心部分，包括1臺RT-LAB OP5700實時仿真器（單臺8核Intel Xeon E5 處理器，主頻3.2 GHz，Xilinx Virtex-7 FPGA板卡，時鐘200 MHz，16個SFP接口，8個高速I/O插槽、6個PCI/PCIe插槽），可以放置PCI或PCIe接口的第三方I/O板卡。），需要具備系統數學模型實時運行以及實時I/O端口配置等功能，其中三相交流系統的主電路模型放在OP5700 的CPU 中運行，而電力電子裝置模型（也就是控制器的被控對象）放在OP5700 的CPU（步長＜25 μs）或OP5700 的FPGA（步長＜1 μs）中運行（其數據通過PCIe 總線交互），一般當仿真規模不大，步長要求不是很高的情況下CPU 模型的解決方案就能夠滿足需求。

信號接口分系統需要具備與裝置的控制柜、智能光纖接口箱和功率放大器等實物的物理連接等功能。一方面從I/O 輸出的模擬量值輸入到控制器中用于控制算法；另一方面，控制系統中的閥基控制器與仿真器還需要有智能光纖接口箱和高速光纖通訊，用來模擬真實的控制器與其被控對象之間的通訊環境。因此，基于RTLAB 仿真平臺的新能源機組硬件在環數模混合仿真主要步驟如下：

1）依據實際新能源機組電氣結構，建立三相交流系統的主電路模型，構建單元電氣一次主電路；

2）根據控制信號邏輯、通訊要求，實現信號接口分系統與裝置的控制柜、智能光纖接口箱和功率放大器等實物的物理連接；

3）設置試驗典型工況并開展仿真性能測試。

1.2 新能源機組硬件在環仿真平臺搭建

1.2.1 500 kW光伏電力電子一次模型

光伏發電單元的機電暫態模型包括光伏方陣和光伏逆變器，其中光伏逆變器采用實際控制保護設備，采用硬件在環方式研究其發電單元的并網特性。以某500 kW 的光伏并網設備為例，其硬件拓撲結構如圖2所示。

圖2 光伏自同步電壓源一次模型Fig.2 Photovoltaic self-synchronous voltage source primary model

其一次部分主要由受控直流電壓源、IGBT，濾波 電路構成，其中主要參數如表2。

表2 電路一次參數表Table 2 Circuit primary parameters

1.2.2 2 MW風機電力電子一次模型

風電機組一般由機側原動部分及網側換流部分構成。因此，在一次部分相對光伏機組更加復雜。以湖北廣水某風電場的2.0 MW直驅式風機為例，風電機組采用雙分裂繞組，配套2 臺機側變流器、2 套網側變流器，其電氣一次部分（包含永磁直驅原動機）及其主要參數如圖3～圖5所示。

圖3 某直驅式風機一次拓撲及其參數Fig.3 Primary topology of a direct-drive wind turbine and its parameters

圖4 實驗平臺控制系統硬件結構框圖Fig.4 Block diagram of the hardware structure of experimental platform control system

圖5 半實物仿真接線圖Fig.5 Semi-physical simulation wiring diagram

2 仿真測試平臺搭建

為驗證電站現場使用的逆變器與型式試驗樣機并網性能一致，需開展逆變器控制器一致性核查。以光伏逆變器硬件在環仿真平臺搭建為例，其仿真測試平臺包含光伏逆變器并網測試一次回路（包含光伏陣列、直流源、并網檢測裝置）模型和光伏逆變器控制器兩部分，兩者通過半實物仿真器I/O 口相連接。在半實物仿真軟件中對光伏逆變器并網測試一次回路進行建模，采樣電壓、電流等信號，并通過I/O 接口輸出至DSP板（或轉接板），DSP板（或轉接板）輸出PWM 波對逆變器控制器性能進行測試，測試平臺架構圖如圖6所示。

圖6 光伏硬件在環仿真測試平臺架構圖Fig.6 Photovoltaic hardware-in-the-loop simulation test platform

考慮到單純采用DSP 控制板進行接線不方便，且涉及的通信部分半實物仿真器無法模擬，因此，半實物仿真測試，工程師通常需依據板件實際情況帶主控板、接口板等進行測試。（提供的信號為物理信號，接口電平范圍為±16 V），通過R485 進行通訊連接，并對應相應的模擬量與信息量數據，其DSP及轉接板與RTLAB通訊接口如表3。

表3 光伏逆變器與RTLAB接口通訊點表Table 3 Interface communication information between photovoltaic inverter and RTLAB

3 實例驗證

為驗證本文所提出的基于RTLAB 硬件在環仿真技術的有效性，針對圖2及表3所示的光伏逆變器自同步電壓源控制型逆變器，進行并網特性仿真模擬測試，測試參數及接口與前文一致，采用FPGA 進行精確仿真，仿真步長為20 μs，主要對該控制器是否具備故障穿越、一次調頻、慣量支撐等功能進行驗證。主要工況包括：高低穿工況、一次調頻、轉動慣量、MPPT 測試、運行模式切換、功率控制能力測試。

1）連續高低穿測試

按照《GB/T 19964-2012 光伏發電站接入電力系統技術規定》的要求，光伏并網逆變器需要具備高、低穿能力，結合實際工程需要，設置較為嚴苛的連續高低穿測試工況，如表4所示。圖7中，電壓由0.2Un-1.3Un，曲線x軸對應時間（ms），y軸對應標幺值，4條曲線分別為母線電壓Un，有功功率P，d 軸電流Id（對應有功功率），d軸電流Iq（對應無功功率）。圖8-圖9與圖7一致，僅電壓變化范圍不同，如表4所示。

表4 連續高低穿測試工況設置Table 4 Operation setting for continuous high and low voltage ride-through test

圖7 連續高低電壓工況測試（0.2Un-1.3Un）Fig.7 Operation setting for continuous high and low voltage ride-through test（0.2Un-1.3Un）

圖8 連續高低電壓工況測試（0.5Un-1.25Un）Fig.8 Operation setting for continuous high and low voltage ride-through test（0.5Un-1.25Un）

圖9 連續高低電壓工況測試（0.75Un-1.2Un）Fig.9 Operation setting for continuous high and low voltage ride-through test (0.75Un-1.2Un)

2）一次調頻測試

按照GB/T 19964-2012 要求，設置光伏逆變器并網點頻率波動范圍為50.5 Hz～49.5 Hz，頻率超過此范圍后，功率維持不變。調頻死區設置為±0.05 Hz，頻率波動小于此范圍時，功率維持不變。試驗測試結果如圖10所示，圖中曲線x 軸對應時間（ms），曲線1中y 軸對應有功標幺值，曲線2中y為并網點頻率f。

圖10 一次調頻測試Fig.10 Primary frequency modulation test results

3）轉動慣量測試

按照《GB/T 19964-2012 光伏發電站接入電力系統技術規定》要求，設置頻率由50 Hz階躍變化至49.8 Hz。轉動慣量由0.1 p.u.變化至0.2 p.u.，頻率調節時間如圖11所示，明顯增加，圖中曲線x軸對應時間（ms），曲線1中y軸對應有功標幺值，曲線2中y為并網點頻率f。

圖11 轉動慣量測試結果，Fig.11 Rotational inertia test results

4）MPPT控制能力測試

在電流源/電壓源模式下，光照強度從200 勒克斯增加到1 000 勒克斯，再降回到200 勒克斯，檢驗輸出功率能夠追蹤最大功率點，測試結果如圖12及圖13所示，圖中曲線x 軸對應時間（ms），曲線1 中y 軸對應有功標幺值，曲線2中y為光照強度。

圖12 電流源MPPT控制能力測試結果Fig.12 Current source MPPT control capability test results

圖13 電壓源MPPT控制能力測試結果Fig.13 Voltage source MPPT control capability test results

5）電壓/電流源模式切換控制測試

在電流源/電壓源額定模式下，額定0.2 p.u.下開展模式切換功能測試，驗證光伏逆變器穩定控制。結果如圖14 及圖15 所示。曲線x 軸對應時間（ms），y 軸對應標幺值，4 條曲線分別為母線電壓Un，有功功率P，d軸電流Id（對應有功功率），d 軸電流Iq（對應無功功率）。

圖14 電流源模式切換電壓源Fig.14 Current-source switched to voltage-source

圖15 電壓源模式切換電流源Fig.15 Voltage-source mode switched to current-source

6）功率控制測試

設置逆變器的輸出有功功率按指令從0.1Pn增加到0.8Pn，測試結果如圖16。曲線x軸對應時間（ms），y軸對應標幺值，4條曲線分別為母線電壓Un，有功功率P，d 軸電流Id（對應有功功率），d 軸電流Iq（對應無功功率）。

圖16 有功功率控制能力測試Fig.16 Active power control capability test, curve x-axis corresponds to time (ms)

設置逆變器的輸出無功功率按指令0 kvar、100 kvar、150 kvar、-50 kvar、-100 kvar、-150 kvar 輸出。逆變器的輸出無功功率直接受電網電壓的實時調節，無功參考指令僅用作無功功率補償，調節不同箱變下因參數差異導致的電網電壓不一致所致的無功差值，結果如圖17，曲線x軸對應時間（ms），y軸對應標幺值，4條曲線分別為母線電壓Un，有功功率P，d軸電流Id（對應有功功率），d軸電流Iq（對應無功功率）。

圖17 無功功率控制能力測試Fig.17 Reactive power control capability test

經過上述測試，待測設備所有功能均滿足相關設計和標準要求，通過本文所提出的硬件在環仿真平臺可有效開展新能源單元的并網性能測試及試驗，HIL測試驗證了該控制器的有效性和優點。

4 結語

由于新能源機組大規模接入，電力系統呈現電力電子化趨勢，亟需開展電磁暫態仿真。本文基于RTLAB仿真平臺，提出了一種新能源機組硬件在環仿真步驟及方法，給出了典型光伏及風機一次ehs模型。基于某實際工程的光伏逆變器，開展了硬件在環仿真，實現了在實驗室環境下完成對控制器的測試。結果表明，基于RTLAB 仿真平臺可開展極限測試、故障測試及在實際的環境下費用高昂或不能開展的測試等，具有廣闊的應用前景。