光伏模擬器半實物仿真平臺設計與實驗驗證

2023-02-20 13:42:36陳永霞郝正航陳湘萍

實驗室研究與探索 2023年11期

關鍵詞：實驗

陳永霞，郝正航，陳湘萍，張靖，陳卓

（貴州大學電氣工程學院，貴陽 550025）

0 引言

為解決能源危機與環境問題，我國正在不斷加大可再生清潔能源的開發利用。太陽能以其取之不盡、物美價廉的優勢備受青睞［1-3］。為研究光伏電源及其并網特性，需搭建滿足各研究場景的光伏發電系統，在實際環境下光伏板研究其輸出特性，不僅會耗費巨大的時間與物力資源，自然條件的隨機性也會導致研究復現難度大，難以完成對光伏設備的全天候測試［4-6］。由此，光伏模擬器的研究應運而生。

目前，光伏模擬器的實驗研究主要是集中在控制理論方面，理論研究成果的實驗驗證方法，大多文獻是采取數字離線仿真方法［7-8］。也有少數研究是利用微型控制器來搭建模擬器，對成果進行實驗驗證［9-11］。相較于實時性強、耗資巨大的純實物實驗，離線仿真在成本與參數更改靈活性方面有著一定的優勢，離線仿真具有非實時性，存在著無法實時模擬對象運行的實際場景這一缺陷，僅適用于學習和檢驗［12-13］。通過搭建模擬樣機來驗證研究成果，不僅對實驗人員的編程能力有著嚴格要求，通用性能也比較差，開放程度不高，可擴展性較低。

鑒于以上問題，本文研發了一套控制模型在通用實時仿真器（universal real-time experimental platform，UREP）運行，并通過雙核控制器樣機對物理裝置進行半實物仿真。這種仿真手段結合了離線仿真和物理模擬的優勢，不僅能比較準確地模擬實際情況，降低實驗成本，還有多種優勢：在Simulink軟件直接搭建控制數學模型即可直接下載編譯到仿真機運行，無需嵌入式開發，并可隨時更改光伏電池的工況參數，靈活性較高。實驗平臺并不拘泥于一個實驗，在現有的基礎硬件設施上，更改Simulink 軟件的控制模型即可成為驗證其他實驗的仿真平臺，通用性較高。

1 實驗平臺配置

本文所建光伏模擬器半實物仿真平臺結構如圖1所示。

圖1 光伏模擬器半實物仿真平臺結構

由圖1 可知，平臺包括：

（1）上位機。在基于框圖化環境的Simulink軟件搭建控制模型并實時監測實驗運行狀態。

（2）UREP實時仿真器。仿真器是實驗平臺極其重要的一環，通過以太網口與上位機通信并運行控制模型，兼顧發送控制指令和接收反饋信息的重要功能。

（3）雙核控制器。控制器通過RS232-DB25 串口分別與UREP 實時仿真機及物理接口裝置進行通信［14-15］。

（4）物理裝置。由3 組電壓可控的Ⅳ象限變流器組成，對該基礎硬件設備進行合理化設計，可搭建更多類實驗平臺。

每組分配的資源：

（1）智能功率模塊（Intelling Power Module，IPM）。集成了驅動電路、電路保護功能的IGBT 功率開關器件。

（2）交／直流側電壓霍爾傳感器。采集2 路交流側線電壓，采集直流側電壓。

（3）電流傳感器。3 路電流傳感器，分別為1 路直流電流、2 路交流電流。

（4）LC濾波器。濾波電感取值為1 mH，電流峰值15A，濾波電容取值為4.7 μF，是一個低通濾波器。

2 控制器

2.1 控制器結構

如圖2 所示，在雙核控制器樣機內置PWM 控制板卡和A／DC數據采集／轉換板卡。

圖2 雙核控制器結構示意圖

2 塊板卡均采用雙核技術，分別為DSP 和FPGA。DSP在控制器中起橋接作用，FPGA 分別起產生調制信號和控制A／DC同步采集的作用。

控制器有9 個端子：1～3 號端子分別對應A／DC采集／轉換板卡的前、中、后18 路采集信號接口，一組18 路采集信號對應一套物理裝置的電壓電流信號；4～6號端子分別對應PWM控制板卡的前、中、后18 路PWM信號接口，一組18 路PWM信號對應一套物理裝置的控制脈沖信號；7、8 號端口分別對應A／DC板卡和PWM板卡的局域網接口；9號端子為220 V電源接口。

控制器可同時控制3 套物理仿真接口裝置，同時控制9 組Ⅳ象限變流器。在大量新能源通過電力電子裝置接入電網的背景下，該實驗平臺有著很好的應用前景。

2.2 控制策略的實現

（1）光伏電池數學模型。根據文獻［17-18］中得到光伏電池在標準測試條件下的數學模型

式中：U、I分別為光伏電池的輸出電壓和電流；Isc為短路電流；Uoc為開路電壓；。其中：Um為最大功率點電壓；Im為最大功率點電流。

若要計算一般情況下的數學模型，首先計算相對于標準情況下的溫度差

以及光照強度差

式中：T為環境溫度；S為光照強度；Tref、Sref分別為標準測試條件下的環境溫度和光照強度。

根據標準情況下的參數計算出一般情況下的4 個參數：

式中：a＝0.002 5／℃；b＝0.5；c＝0.002 88／℃。

光伏電池在一般情況下的數學模型

經整理可得：

（2）電壓、電流雙閉環控制。如圖3 所示，基于同步旋轉坐標變換理論，對有功、無功電流進行解耦，采用電壓、電流雙閉環控制：將檢測得到的負載側電流Io，根據式（14）搭建U-I曲線，產生參考電壓Uref，將其與負載側采集到的電壓Udc之間的差值通過PI控制產生有功電流參考值；無功電流給定值設為0，使得光伏模擬器工作于單位功率因數。內環控制將采集到的電網側相電壓、相電流利用派克變換分解得到有功分量的瞬時值ud、id以及無功分量的瞬時值uq、iq。便于后續控制實現電流、電壓前饋控制，并利用PI 控制器實現由電流空間矢量到電壓空間矢量的轉換。基于雙核控制器的控制要求，將控制回路最終產生的調制波縮小到［0，1］范圍內，經空間電壓矢量脈沖寬度調制（SVPWM）控制策略產生Ⅳ象限變流器的驅動信號。

圖3 光伏模擬器控制原理框圖

在整個控制回路中，需對電網電壓進行鎖相操作，實際電網并非是標準三相電源，常常伴有不平衡并含有諧波的情況。為能準確對電網電壓進行鎖相，降低鎖相不準確給后續控制帶來的不良影響，本文采用雙廣義積分鎖相環（DSOGI-PLL）進行鎖相操作。該鎖相環不僅可快速、準確檢測出不平衡電網電壓的正序相位及頻率，且具有良好的頻率自適應性，能抑制一定的低次諧波［19-20］。

3 U-I曲線模擬原理

根據圖3 中的控制原理框圖所建控制模型通過UREP與控制器完成對物理接口裝置中一組變流器的控制，使得變流器直流輸出端子電壓、電流呈光伏組件輸出U-I特性曲線關系，由此便可實現對光伏電池組件的模擬。

光伏組件U-I曲線模擬原理如圖4 所示。

圖4 光伏組件U-I曲線模擬原理圖

假設：模擬器輸出端子接負載G1，且此時負載工作點為A點，流經負載的電流為Io，模擬器此時實際輸出電壓為Ua。由組件輸出特性曲線可知，當電流為Io時，組件實際輸出電壓應是Uref。通過控制算法減小2 個電壓之間存在的誤差ΔU到一定的精度范圍內，促使模擬器輸出電壓逼近Uref，就可實現模擬器工作點由A點到B 點的過渡，此時模擬器輸出端電壓、電流呈組件輸出U-I特性曲線關系。在特定的環境溫度及光照強度下，通過改變負載大小，可實現模擬器對于光伏組件輸出特性的全部模擬。

4 實驗方案及仿真效果

4.1 實驗平臺

光伏模擬器實驗平臺接線如圖5 所示，包括上位機、UREP實時仿真器，雙核控制器、物理接口裝置、電網、變壓器以及可調電阻箱。具體實現過程：在上位機Simulink軟件依次完成光伏電池數學模型以及雙閉環控制模型的搭建；將模型輸出的控制信號通過以太網口傳送給實時仿真器，實時仿真器通過RS232-DB25串口將控制信號發送給控制器；控制器通過RS232-DB25 串口將控制信號發送給物理接口裝置同時實時反饋端子電壓、電流數據，形成一個閉環控制回路。