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电能路由器实时仿真系统


关键词:电能路由器,电力电子变压器, 小步长仿真 


一, 电能路由器介绍

随着新能源发电(分布式发电)、电气化交通、储能系统等的发展,电力系统正进入“源-网-荷-储” 协调优化运行的新阶段,从传统的发输配模式演化为电能自治单元对等互联的新体系。正是在这种背景催生下,基于电力电子技术的“电能路由器”(Electric Energy Router)概念应运而生,电能路由器便于实现智能调度和需求侧响应,从而实现多源互补,提升电网与用户的互动,提升电网的运营水平和用户的用电体验[1]。

电能路由器(亦称为 能量路由器)是一个整合了通信单元、控制单元和功率单元的装置。从电力电子的角度来看,电能路由器表现为多端口、多级联、多流向的电力电子变换器,由全控型电力电子开关器件和高频变压器构成,其应该具备如下基本的功能:

1) 电压变换、电气隔离

2) 能量路由(能量流向控制)

3) 分布式能源、储能装置即插即用


电力电子变压器到电能路由器

电力电子变压器主要用于利用高频变压器来实现交流电压变换,由于其结构中多了两级直流母线环节,这两级直流母线可以向外引出直流端口,接入分布式能源、储能等;使得电力电子变压器具备了多端口的拓扑条件,使得电能的传输路径不再唯一,为能量路由的实现提供了可能性。目前研究的很多电能路由器都是基于电力电子变压器的拓扑,如下的H桥级联加DAB(Dual Active Bridge)并联的拓扑是非常典型的一种电能路由器(电力电子变压器)拓扑。

图1:电能路由器示意图


二, 电能路由器的实时仿真

电能路由器组成部件多(高压级联H桥,并联DAB,低压DC/AC),控制复杂,要搭建出多级的完整物理原型系统较为困难,因此目前许多电能路由器的研究工作是通过离线仿真来进行,如参考文献[2]是通过PSCAD仿真来验证所提出的控制策略,参考文献[3]是通过Simulink仿真来验证所提出的控制方法。

实时仿真器是一种通过实时运行数学模型来模拟物理系统的行为的设备。科研人员和工程师可以通过实时仿真器来对控制器进行非常接近真实情况的测试与验证,实时仿真测试是一种比离线仿真要更接近真实工况的研究方法,因此实时仿真得到了越来越广泛的应用。

电能路由器是一个典型的电力电子系统,电力电子系统中的开关一般都以kHZ的频率开合,为了准确仿真这样的系统,仿真步长一般要在1微秒的量级。远宽能源(ModelingTech)推出了基于FPGA的实时仿真方案来实现这样的小步长实时仿真,本文利用远宽能源提供的基于FPGA的实时仿真软件StarSim HIL和美国NI的通用FPGA硬件来对参考文献[4]中的电能路由器系统进行实时仿真测试。

三, 电能路由器的小步长实时仿真

本文采用的是典型参考文献[4]的中的电能路由器拓扑和参数来进行电能路由器的实时仿真验证。文[4]中的电能路由器的拓扑同图1的示例系统一致,系统一共有4级。 

实时仿真实验系统的照片如下图所示,下图左边的白色机箱是实时仿真器,它的FPGA上按1微秒的仿真步长实时运行着4级的电能路由器的数学模型;右边的白色机箱是电能路由器的原型控制器,它运行着网侧逆变器控制,电容均压,DAB(dual active bridge)的移相PWM脉冲发生等控制算法。实时仿真器和原型控制器通过真实的物理IO互联。


图2:电能路由器实时仿真实验系统


四, 电能路由器的实时仿真结果

如下是利用实时仿真器的上位机软件截取的高压直流电容的电压波形,可以看到4个电容电压都控制在了750V, 纹波处于正常范围,控制算法实现了模块间的电压均衡。


如下示波器波形图是 高压侧电网电压与电网电流的示波器波形图,可以看到控制器实现了单相并网逆变器的单位功率因数控制:

 


如下示波器波形展示的是其中一个DAB模块的高低压侧的PWM脉冲和变压器电流,可以看到基于FPGA的小步长仿真很好的反应了系统的特性,可以清晰地看到变压器电流随着PWM脉冲的跳变而立刻发生上升或者下降趋势的变化,和真实的DAB响应一致。


五, 总结

电能路由器(也称能量路由器)是目前的科研热点,本文介绍了如何通过远宽能源(ModelingTech)的基于FPGA的电力电子实时仿真软件StarSim HIL来进行电能路由器系统的实时仿真,并通过一个经典的4级级联的电能路由器的实时仿真实验结果来验证所提的系统和软件,为科研人员从事相关工作提供参考。


参考文献:

[1] 赵争鸣,冯高辉,袁立强,张春朋,电能路由器的发展及其关键技术[J],中国电机工程学报,2017,37(13): 3823-3834

[2] 刘海军,李 刚,王志凯等,面向中高压智能配电网的电力电子变压器建模方法与控制策略研究 [J], 电力系统控制与保护,2017,45(2):85-93

[3] 肖迁,何晋伟,王浩等,电网故障下的电能路由器直流电容电压平衡控制策略[J], 电力系统自动化,2018, 42(2):20-25

[4] 曹阳,袁立强,朱少敏,等.面向能源互联网的配网能量路由器关键参数设计[J].电网技术,

2015,39(11): 3094-3101.


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