引言
随着环境问题和能源短缺的日益突出，以清洁、可持续的新型能源将得到大力的发展[1-2]。为了协调大电网与可再生分布式电源间的矛盾，充分发掘可再生分布式能源对电网的价值和效益，微电网应允而生。微电网中的电源主要是由分布式电源，如风机、光伏、燃气轮机、储能电池等构成，运行方式主要是并网运行、孤网运行、并网-孤岛运行模式切换[3]。
近年来对于微电网各种控制算法的研究越来越多。为了研究微电网系统的控制算法，建立真实的微电网实验室平台耗资巨大，纯数字的仿真并未考虑与外部真实电网之间的联系，算法的控制效果显然更趋近于理想化[4-6]。为了得到真实的控制效果，本文基于实时仿真设备RT-LAB的基础上，采用德国SPS的四象限功率放大器，建立微电网功率硬件在环实时仿真系统。该实时仿真系统仿真电网，更加接近于实际情况。同时，可以通过功率放大器将真实的光伏、风机设备并入电网，模拟真实的并网现象。
1 微电网功率硬件在环仿真系统设计
交流微电网功率硬件在环仿真测试平台主要由目标机，三相功率放大器，光伏设备，风力发电设备，储能设备，模拟负荷和实际负荷组成，如图1所示：
图1 交流微网仿真系统
Fig.1 AC microgrid simulation system
（1）RT-LAB仿真分系统
此分系统主要负责数字仿真模型的运算，按照客户研究内容的不同，可以是一个大电网的模型，电力系统数字模型或微电网的数字模型等等。数字物理混合仿真，在数字和物理系统之间的数据交互时接口算法的数字模型、接口算法对整个PHIL系统进行补偿，起到稳定系统和提高准确性的作用。
（2）真实被测系统
此分系统就是整个PHIL仿真想要测试的对象，是一个消耗或发出功率的真实功率设备或物理动态模拟器，这里主要包括光伏设备、风电设备、储能设备、模拟负载柜和实际负荷。
（3）功率放大器
功率放大器作为接口装置，当RT-LAB仿真系统的模拟量输出板卡（D/A）把数学模型中测得的电压的数字量转化为模拟量发送给功率放大器的采样单元，在内部完成了模拟量转化为数字量再控制功放输出的功能；另一方面由真实系统的电流传感器把电流转化为信号级的模拟量，再由RT-LAB仿真系统的数字量输入板卡(A/D)把电流的大小转化为数字量进入数字模型参与运算。
2 20kW功率硬件在环仿真平台
20KW的交流微电网功率硬件在环仿真平台主要是由RT-LAB实时仿真平台、德国SPS四象限功率放大器以及真实的光伏逆变器、风机、储能电池及真实负荷等构成。其中RT-LAB实时仿真平台负责仿真电路主电路，也可将整个微电网全部放在RT-LAB仿真平台中进行全数字仿真；SPS四象限功率放大器主要将实时仿真平台中发出的线路电压（0-16V）进行放大，放大到电路中的真实电压大小，为风机、光伏提供并网点电压，以便于风机、光伏进行并网；真实的光伏逆变器、风机、储能电池及真实负荷都可以通过SPS四象限功率放大器提供的功率接口并入电网。20kW的交流微电网功率硬件在环仿真平台能够接入真实的微电网系统，可研究微电网对电网系统的影响，也可用于微电网孤岛运行控制策略研究、多分布式电源或微电网并网控制研究、微电网保护系统研究、多储能协调运行与微电网控制策略以及高渗透分布式电网并网对电网运行影响[7-9]。
图2 20kW功率硬件在环仿真系统架构图
Fig.2 20kW power hardware in the loop simulation system structure diagram
2.1 RT-LAB实时仿真平台
RT-LAB是加拿大开发的实时电磁暂态电力系统仿真装置，采用CPU+FPGA的硬件架构，拥有先进的多核并行处理和快速仿真技术，且FPGA的仿真步长最短可达到150ns，能够进行全数字仿真、快速原型仿真以及硬件在环仿真。RT-LAB电力实时仿真系统支持MathWorks公司的SimPowerSystems模型库，并将其实时化。能够提供增强型的算法以保证稳定，精确很小定步长的计算。RT_LAB具有多速率支持，多目标节点支持，硬实时调度器，I/O硬件驱动管理、XHP超高速实时运行模块、主机-目标机通讯、目标机内CPU多内核之间通讯采用RT-LAB实时仿真平台能够较好的仿真主电网结构、处理功率开关器件、众多变换器及高频开关器件，能够实时快速的响应电力系统的变化，准确模拟电网及电力设备的运行情况，测试结果更加接近真实情况[6]。RT-LAB实时仿真设备在功率硬件仿真平台中主要用于仿真电网模型，具有模拟量输入输出端口，可输出线路中的测量点电压，同时也可接收光伏逆变器、风机等真实微电网的电流并反馈到电路中，从而形成闭环硬件在环仿真系统，如图2所示既是20KW功率硬件在环仿真系统的架构图。
2.2 SPS四象限功率放大器
SPS放是一款三相四象限运行，可用于功率硬件在环仿真，属于线性功率放大器，工作在线性工作模式；SPS的额定输出相电压范围：交流：0～最大额度电压（300V rms>最大额度电压>250V rms）；直流：0～±350V及其以上；额定可吸收有功功率：≥5kW，且具有可扩展性，当附件电阻箱等外接设备时额定可吸收功率可提升至15 kW及以上；具有短路保护、过载保护、超温保护功能，可做独立电源运行，三相电压输出可以同步运行和独立运行；三相输出电压幅值、相位可以任意编程控制；具有功率硬件在环系统调试经验，并完成实验室功率硬件在环系统调试工作。SPS四象限功率放大器在功率硬件仿真平台中主要用于提供真实微电网的并网接口，能够将实时仿真器输出的节点电压放大到真实微电网并网所需的并网点电压，同时还能够吸收功率，SPS功放是功率硬件在环系统中最重要的一环。
3 基于RT-LAB的逆变器模型及控制
3.1 并网逆变器的数学模型
并网逆变器是并网系统的核心部分，是保证并网系统安全稳定运行的关键控制环节，其中并网电流检测和并网电流的跟踪控制等，都需基于并网逆变器来实现，并网系统正常并网运行时，应使逆变器输出电流及电压与电网侧保持同频同相。仿真模型研究的并网逆变器采用单级式的三相桥式电压型逆变器，其拓扑结构如图3所示：
图3 并网逆变器拓扑
Fig.3 Block diagram of grid-tied inverter
图中，ea、eb、ec为交流侧三相电网的相电压， ia、ib、ic为交流侧三相电流，ua、ub、uc为逆变器交流侧的三相输出电压，udc为逆变器直流侧电压，L为交流侧滤波电感，R为交流输出侧等效电阻之和，C为逆变器直流侧稳压电容。
3.2 光伏并网逆变器的控制
从逆变器的数学模型表达式可看出，d轴与q轴存在耦合，其分量为ωLiq和ωLid、，因此并网逆变器的控制中需包含解耦控制，则有
(1)
即
(2)
从上式可看出，以u*d和u*q作为等效电流控制变量时，d轴和q轴电流能够独立控制，等效控制变量u*d和u*q可以由电流环PI控制器独立输出决定，其控制方程为
(3)
由上式可以看出，由于引入了电流状态反馈，d轴电流和q轴电流己经实现解耦控制。同时引入电网电压作为前馈补偿，使得系统的动态性能进一步提高。下图为电流解耦控制的原理框图，解耦的过程实际上是在各轴电流PI输出中注入含有其它轴信息的分量，注入的分量与被控对象产生的耦合量大小相等、方向相反。电压外环通过直流侧电压与给定参考电压比较，再经过PI调节输出，此处i*d即为电压外环输出。
图4 解耦控制原理图
Fig.4 Diagram of decoupled control strategy
基于电网电压定向的系统控制框图。系统控制采用无功电流i*q=0控制，采样三相电网电压ea、eb、ec在锁相环PLL中进行锁相，获得电压相位θ信号作为并网电流的相位给定。将三相并网电流的dq分量与部给定的并网电流比较并通过PI进行调节，最终实现单位功率因数并网运行。
4 仿真试验验证
基于本文所搭建的RTLAB功率硬件在环仿真平台，对微电网做了并网运行、孤网运行、并网转孤网运行。具体的仿真参数如表1所示。
表1 仿真参数
图5 微电网并网运行电压电流波形
图6 孤网运行电压波形
图7 孤网运行电流波形
图7 并网转孤网电压电流波形
图5~7中，Ua、Ub、Uc为并网点电压为220V；Ia、Ib、Ic为并网点处的三相电流；微电网中包含5kW的风机，4.5kW的光伏，5kW的真实负荷，20kW的储能电池。由图3可以看出真实的微电网在并网状态下，由于是并网，由于电网侧的作用，有电网侧作为参考电压，并网瞬间电压电流波形比较平滑。图4、5为微电网孤网运行的电压电流波形，图4、5中，由于是孤网运行，储能电池作为微电网的电源系统，所以孤网运行时，电压电流的波形不是太平滑，有少量的毛刺出现。图6中是微电网系统由并网转到孤网的过程，在并网阶段，电压电流平滑；转换到孤网阶段，电压电流同时由平滑变得有少量毛刺，但整体趋势是平滑过渡的。
4 结语
本文提出了一种基于RT-LAB的微电网功率硬件在环仿真系统，以RT-LAB作为实时仿真机，仿真电网系统；SPS四象限功率放大器为微电网系统并网提供并网点；真实的微电网系统包括风机、光伏、负荷和储能电池。针对该RT-LAB微电网功率硬件在环仿真系统进行并网运行、孤网运行、并网转孤网运行等仿真验证。实验结果表明，基于RT-LAB的微电网功率硬件在环仿真系统进行有效的测试和验证。对微电网的并网运行策略、孤网运行策略以及并网转孤网运行策略进行验证。
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