一种光伏发电系统的并行实时仿真方法.pdf

本发明涉及一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，光伏发电系统的电力电子部分一般都通过含有电感和电容的滤波器并网，利用这个拓扑特点、以及电感电流和电容电压在几十微秒的时间内不会突变的原理，以滤波器电感和滤波器电容为界将光伏发电系统分割，设计了受控电压源和受控电流源的接口方式，分别建立电力电子仿真部分和交流电网仿真部分，将电力电子仿真部分在FPGA上进行几微秒步长的实时仿真，将交流电网仿真部分放在CPU上进行几十微秒步长的实时仿真。与现有技术相比，本发明分别建立电力电子仿真部分和交流电网仿真部分，充分利用了系统的拓扑结构和元件的电气特性实现系统分割，可以对两个仿真部分实现不同步长的联合仿真。

1.  一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在于，包括步骤：
1)根据光伏发电系统的架构，分别建立电力电子仿真部分和交流电网仿真部分；
2)在电力电子仿真部分进行几微秒步长的小步长仿真，在交流电网仿真部分进行几十微秒步长的大步长仿真，以进行两个仿真部分的联合仿真。

2.  根据权利要求1所述的一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括步骤：
101)利用光伏发电系统中滤波器电感和滤波器电容将光伏发电系统分割为电力电子子系统与交流电网子系统；
102)将交流电网子系统等效为受控电压源，并与电力电子子系统连接构成电力电子仿真部分；
103)将电力电子子系统等效为受控电流源，并与交流电网子系统连接构成交流电网仿真部分。

3.  根据权利要求2所述的一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在于，所述步骤101)具体为：以光伏发电系统中滤波器电感和滤波器电容为界对光伏发电系统进行分割，将滤波器电感一侧作为电力电子子系统，将滤波器电容一侧作为交流电网子系统。

4.  根据权利要求3所述的一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在于，所述电力电子仿真部分建立在FPGA上，所述交流电网仿真部分建立在CPU上。

5.  根据权利要求4所述的一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在于，所述光伏发电系统包括光伏电池，该光伏电池依次通过电力电子电路、滤波器电感和滤波器电容与交流电网连接，所述光伏电池在电力电子仿真部分中被等效为受控电流源，且光伏电池的模型运行于CPU上。

6.  根据权利要求2所述的一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在于，所述电力电子仿真部分和交流电网仿真部分采用同一时钟源。

7.  根据权利要求6所述的一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在 于，所述时钟源为FPGA上的高速时钟。

8.  根据权利要求6所述的一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在于，所述步骤2)中，大步长仿真的步长为小步长仿真步长的整数倍。

9.  根据权利要求8所述的一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在于，所述大步长仿真的每个仿真周期的起始时刻，两个仿真部分交换电容电压、光伏电流、以及滑动平均后的电感电流和光伏端电压。

10.  根据权利要求8所述的一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其特征在于，所述滑动平均的窗口长度为大步长仿真的步长。

一种光伏发电系统的并行实时仿真方法
技术领域
本发明涉及电力系统仿真技术领域，尤其是涉及一种光伏发电系统的并行实时仿真方法。
背景技术
出于人们对环境保护与可持续发展的关注，太阳能作为一种清洁、取之不尽用之不竭的能源受到了越来越多的重视。光伏发电是太阳能发电的一种主要形式，光伏发电系统一般都包含了光伏电池，电力电子变换电路(DC-DC变换电路，DC-AC逆变电路)，LC滤波器，交流电网等部分。光伏发电系统的工作依赖于控制器对DC-DC变换电路、DC-AC逆变电路等电力电子变换电路的精确控制来实现最大功率追踪、并网发电等正常运行功能；同时随着越来越多的光伏接入电网，光伏发电系统也需要能够确保电网的安全稳定运行，因此光伏发电系统的控制希望往往也被要求实现低电压穿越、孤岛检测等应对电网故障的功能。
为了确保光伏控制器的功能，无论在研发和还是在量产的阶段都需要对控制器做许多的测试。传统的测试方式是将控制器直接通过实物系统上进行测试，但即使是通过一些小功率的微缩实物系统来测试，也存在实验成本高、较危险(尤其是电网故障实验)、难于实现测试自动化等挑战。实时仿真器是在一个实时的硬件平台上利用数学模型来模拟实际系统行为的装置，通过实时仿真器来测试控制器，可以对控制设备进行非常接近真实情况的测试与验证。这个方式具有安全，容易实现测试自动化等优点。
含光伏的电力系统的实时仿真测试的挑战在于电力电子电路由于还有快速开关的器件，一般需要几微秒级的仿真步长才能准确仿真。目前工业界基本是利用FPGA(Field Programmable Gate Array，即可编程门阵列)的硬件并行性来实现这样小步长的实时仿真。但是FPGA上编程较复杂，乘法器等资源也有限，如将其于交流电网的实时仿真难度较大。交流电网一般只需几十微秒大步长即可准确仿真， 且基于CPU的交流电网大步长实时仿真技术较为成熟。理想的话，最好是可以实时电力电子部分和交流电网部分的分割，然后分别利用FPGA与CPU并行仿真。
用于分割电气系统的经典理论有戴维南定理和诺顿定理，这些理论的应用有限制，它们一般只适用于线性电路。但是光伏发电系统一般不能满足这个限制，比如电力电子部分的电力电子开关，交流电网部分的断路器等都是非线性元件。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，利用逆变器的LC滤波器分割光伏发电系统，将电力电子部分在FPGA上进行几微秒步长的仿真，将交流电网部分在CPU上进行几十微秒步长的仿真，从而实现联合仿真。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，包括步骤：
1)根据光伏发电系统的架构，分别建立电力电子仿真部分和交流电网仿真部分；
2)在电力电子仿真部分进行几微秒步长的小步长仿真，在交流电网仿真部分进行几十微秒步长的大步长仿真，以进行两个仿真部分的联合仿真。
所述步骤1)具体包括步骤：
101)利用光伏发电系统中滤波器电感和滤波器电容将光伏发电系统分割为电力电子子系统与交流电网子系统；
102)将交流电网子系统等效为受控电压源，并与电力电子子系统连接构成电力电子仿真部分；
103)将电力电子子系统等效为受控电流源，并与交流电网子系统连接构成交流电网仿真部分。
所述步骤101)具体为：以光伏发电系统中滤波器电感和滤波器电容为界对光伏发电系统进行分割，将滤波器电感一侧作为电力电子子系统，将滤波器电容一侧作为交流电网子系统。
所述电力电子仿真部分建立在FPGA上，所述交流电网仿真部分建立在CPU上。
所述光伏发电系统包括光伏电池，该光伏电池依次通过电力电子电路、滤波器 电感和滤波器电容与交流电网连接，所述光伏电池在电力电子仿真部分中被等效为受控电流源，且光伏电池的模型运行于CPU上。
所述电力电子仿真部分和交流电网仿真部分采用同一时钟源。
所述时钟源为FPGA上的高速时钟。
所述步骤2)中，大步长仿真的步长为小步长仿真步长的整数倍。
所述大步长仿真的每个仿真周期的起始时刻，两个仿真部分交换电容电压、光伏电流、以及滑动平均后的电感电流和光伏端电压。
所述滑动平均的窗口长度为大步长仿真的步长。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1)根据光伏发电系统的架构，分别建立电力电子仿真部分和交流电网仿真部分，充分利用了系统的拓扑结构和元件的电气特性实现系统分割，可以对两个仿真部分实现不同步长的联合仿真。
2)交流电网子系统在电力电子子系统中等效为受控电压源，利用了接口处有电容，且电容电压在几十微秒这样一个短的时间窗内不会突变的特性；电力电子子系统在交流电网子系统中用受控电流源代替，利用了接口处有电感，且电感电流在几十微秒这样一个短的时间窗内不会突变的特性，分割过程基于并网逆变器后的滤波器实现，尤其是通过为电力电子和交流电网选择各自合适的实时计算平台与仿真步长，降低光伏发电系统实时仿真实现难度。
3)电力电子仿真部分建立在FPGA上，交流电网仿真部分建立在CPU上，可以实现对于电力电子仿真部分的小步长仿真，而对交流电网仿真部分实现大步长仿真。
4)电力电子仿真部分和交流电网仿真部分采用同一时钟源，确保了两个仿真部分的时间上的同步。
5)时钟源为FPGA上的高速时钟则可以实现更小的时间分割，提高仿真效果。
6)大步长仿真的步长为小步长仿真步长的整数倍，便于两个并行仿真部分交换数据。
附图说明
图1为本发明提出的光伏发电系统并行实时仿真框架的示意图；
图2为本发明中电力电子仿真部分与交流电网仿真部分的仿真循环由同一时 钟定时确保同步的示意图；
图3为本发明实施实例的双极光伏发电系统的拓扑图；
图4为本发明实施实例的电力电子仿真部分具体建模框图；
图5为本发明实施实例的交流电网仿真部分具体建模框图；
图6为本发明实施实例的仿真结果波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种光伏发电系统的并行实时仿真方法，其仿真框架如图1所示，包括步骤：
1)根据光伏发电系统的架构，分别建立电力电子仿真部分和交流电网仿真部分，具体包括步骤：
101)利用光伏发电系统中滤波器电感和滤波器电容将光伏发电系统分割为电力电子子系统与交流电网子系统，具体为：以光伏发电系统中滤波器电感和滤波器电容为界对光伏发电系统进行分割，将滤波器电感一侧作为电力电子子系统，将滤波器电容一侧作为交流电网子系统；
102)将交流电网子系统等效为受控电压源，并与电力电子子系统连接构成电力电子仿真部分，利用了接口处有电容，且电容电压在几十微秒这样一个短的时间窗内不会突变的特性；
103)将电力电子子系统等效为受控电流源，并与交流电网子系统连接构成交流电网仿真部分，利用了接口处有电感，且电感电流在几十微秒这样一个短的时间窗内不会突变的特性。
经过步骤102)和步骤103)的等效过程，受控电流源的电流数值受滤波器的电感电流控制，受控电压源的电压数值受滤波器的电容电压控制。这样一个电压源和电流源的接口将光伏发电系统的电力电子部分和交流电网部分的电气联系转为通过值传递互相影响，完成仿真模型的建模，从而实现系统的拆分和并行仿真，特别指出，电力电子仿真部分和交流电网仿真部分实质上为电力电子仿真模型和交流电网仿真模型，它们之间通过交换电容电压，以及滑动平均后的电感电流等信息实现并行仿真，本实施例中，电力电子仿真模型和电力电子仿真部分，以及交流电网 仿真模型和交流电网仿真部分都应该被理解为同一含义。
2)并行仿真：在电力电子仿真模型进行几微秒步长的小步长仿真，在交流电网仿真模型进行几十微秒步长的大步长仿真，以进行两个仿真模型的联合仿真，其中电力电子仿真模型建立在FPGA上，交流电网仿真模型建立在CPU上。
光伏发电系统包括光伏电池，该光伏电池依次通过电力电子电路、滤波器电感和滤波器电容与交流电网连接，且在电力电子仿真模型中被等效为受控电流源，光伏电池本身的模型(光伏端电压和光伏输出电流的关系)实时运行在CPU部分，光伏电池和电力电子电路共同构成电力电子部分。
如图2所示，为了确保两个仿真模型的时间上的同步，FPGA仿真循环和CPU实时仿真循环由同一个时钟源来定时，即FPGA上的高速时钟。同时为了便于两个并行仿真平台交换数据，大步长的CPU实时仿真的仿真步长需要是小步长的FPGA仿真步长的整数倍。在每个CPU大步长仿真周期开始时，两个仿真循环交换电容电压、光伏电流，以及滑动平均后的电感电流和光伏端电压等信息，具体的，FPGA上滤波电感电流、光伏端电压经过滑动平均后传递给CPU的仿真循环，其滑动平均的窗长为CPU的仿真步长，而电容电压和光伏电流则由交流电网仿真模型传递给电力电子仿真模型。
下面具体以一个典型的双极光伏发电系统为具体的实施实例，其拓扑具体如图3所示。该双极光伏发电系统包含依次连接的光伏电池、平波电容C_pv、Boost电路、直流电容C_dc、DC-AC逆变电路、逆变器的RLC滤波器、变压器、负荷、输电线路和无穷大电源。
为了实现对此双极光伏发电系统的实时仿真，利用逆变器的的并网滤波器的电感和电容将系统分割为电力电子子系统与交流电网子系统，这两个子系统采用受控电压源与受控电流源的方式来接口。即交流电网子系统等效为受控电压源，并与电力电子子系统连接构成电力电子仿真模型，电力电子子系统等效为受控电流源，并与交流电网子系统连接构成交流电网仿真模型，其中电力电子仿真模型如图4所示，交流电网仿真模型在CPU上的具体建模框图如图5所示。
将系统分割后，电力电子仿真模型在FPGA上用几微秒的小步长实时仿真。为了在FPGA上实现的便利性，在本实例中Boost电路和DC-AC逆变电路采用受控源的方式等效建模。定义电力电子电路中受控开关的开关函数为S,当开关接收到PWM脉冲为高时，S为1，PWM脉冲为低时，S为0。
Boost电路中的受控电压源和受控电流源与其开关函数的关系为：
V_boost＝(1-S_boost)V_Cdc
I_boost＝(1-S_boost)I_Lpv
DC-AC全桥逆变电路等效模型中的受控电压源和受控电流源与其开关函数的关系为：
V_{inv_a}＝V_CdcS₁
V_{inv_b}＝V_CdcS₃
V_{inv_c}＝V_CdcS₅
I_{inv_dc}＝-(I_LaS₁+I_LbS₃+I_LcS₅)
其中：V_Cdc为C_dc的电压，I_Lpv为L_pv的电流，I_La,I_Lb,I_Lc分别为滤波器电感电流，S_boost、S₁、S₃、S₅为图3中对应开关的开关函数。
在本实例中的光伏电池是等效为受控电流源，光伏电池的具体模型实时运行在CPU上，光伏电池的具体的数学模型如下，设在参考条件下，I_sc为短路电流，V_oc为开路电压，I_m、V_m为最大功率点电流和电压，则当光伏阵列电压为V，其对应点电流为I：
I=Isc(1-C1(eVC2Voc-1))]]>
C1=(1-Im/Isc)e-VmC2Voc]]>
C₂＝(V_m/V_oc-1)/ln(1-I_m/I_sc)
如上是光伏电池在参考的辐照强度和温度，即G_ref、T_ref时的数学模型，一般分别为1000W/m²和25℃，当太阳辐射变化和温度影响时，其数学模型修正如下：
I=Isc(1-C1(eV-ΔVC2Voc-1))+ΔI]]>
ΔI＝α·G/G_ref·ΔT+(G/G_ref-1)·I_sc
ΔV＝-β·ΔT-R_s·ΔI
ΔT＝T_c-T_ref
其中：G为光伏电池当前太阳辐射强度(W/m²)，T_c为当前温度(℃)；α、β分别为参考太阳辐射强度下的电流温度系数(A/℃)和电压系数(V/℃)，对于单晶硅及多晶硅太阳电池其通常取得值为α＝0.0012I_sc(A/℃)和β＝0.005V_oc(V/℃)；R_s为光伏电池内阻。
取电力电子仿真模型的仿真步长为2.5微秒，交流电网仿真模型的仿真步长为 50微秒。在1.5秒的时刻，太阳辐射强度从800W/m²阶跃到1200W/m²，图6中为并行实时仿真时的逆变器电感A相电流的波形。