CN105182796A - 逆变器入网仿真测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及逆变器入网仿真测试技术，公开了一种逆变器入网仿真测试***。本发明中，逆变器入网仿真测试***，包含：上位机仿真子***、数字仿真子***、物理模拟子***、逆变器与接口子***；上位机仿真子***与数字仿真子***连接；数字仿真子***经接口子***与逆变器连接；逆变器还与物理模拟子***连接；上位机仿真子***，用于在线监控仿真测试过程；数字仿真子***，用于根据电网模型对电网进行数字实时仿真；物理模拟子***，用于根据发电设备的模型对发电设备进行物理模拟；接口子***，用于对数字仿真子***与逆变器之间交互的信号进行功率转换。这样，使对逆变器的测试更全面，同时，测试环境与实际环境更接近，测试结果更准确。
Description
技术领域
本发明涉及逆变器入网仿真测试技术，特别涉及一种逆变器入网仿真测试***。
背景技术
在众多可再生能源中，太阳能凭其独特的优点而受到一致青睐，光伏发电已成为国内可再生能源发展战略的重要内容。但由于其不同于常规电源的发电特点，输出功率波动较大，其接入电网仍然有很多技术问题需要克服：比如，分布式光伏的规模化接入电网的规划、运行、控制等各个环节都带来了新的挑战；新型的逆变器拓扑在数字仿真中的功能验证及性能验证存在难度。所以，光伏逆变器入网的建模与仿真研究成为光伏发电领域的重要课题。
按照仿真模型的不同，目前电力***实时仿真技术主要包括物理仿真、数字仿真和数字物理混合仿真，它们具有各自的实现方法和特点，具体如下：
对于数字仿真，采用了现代计算机技术、控制技术，结合了大型软件和复杂硬件，其建模速度快，参数调整方便，能对大***进行仿真，但是对于新型的设备和控制策略的仿真不尽人意。
对于物理仿真，考虑了非线性等复杂的不确定因素，因此能够比较准确地模拟电力***的动态过程。对于各种新型的电力器件的模拟及机理尚不清楚的现象以及新型电力设备的研究非常需要物理仿真。目前有较多厂家集中在采用物理仿真这种方案来实现光伏逆变器的测试平台，如图1所示，其中，101为电网，102为电网模拟器，103为谐波闪烁分析仪，104为RLC负载，105为功率分析仪，106为光伏逆变器，107为光伏模拟器；光伏模拟器和电网模拟器是该方案中的物理仿真部分。光伏模拟器模块模拟物理光伏电池，电网模拟器模块模拟电网，可控RLC负载模拟不同状态下的并网点负载。通过配置RLC模块设置不同的工作模式，该模块可以起功率吸收作用，或者模拟谐振发生。光伏模拟器和电网模拟器由公共电网进行供电。被测件为光伏逆变器实物，置于这样的物理仿真试验平台中。其中，光伏模拟器可以设置不同的PV特性曲线来测试该光伏逆变器的并网特性。
但是，该试验平台存在如下缺点：
(1)、电网模拟器模拟了一个简单的电源，只模拟了电网的电压、频率，电网模拟器无法模拟现实电网中的复杂多变的特性。
(2)、电网模拟器无法测试光伏发电入网***对真实复杂电网的影响。
(3)、该平台无法测试电(微)网中的一个具体扰动对光伏***的影响。
(4)、该平台无法对电(微)网中其他控制器和物理光伏逆变器设备的交互影响进行试验。
对于数字物理混合仿真，又称硬件在环(hardware-in-the-loop,HIL)仿真，这种方法是将实际的物理装置或***(hardwareundertest,HUT)置于由实时数字仿真***建立的虚拟电力***(virtualelectricalsystem,VES)中进行闭环仿真。数字物理混合仿真结合了实时数字仿真和动态物理模拟的优点，可以更准确的反应原始***的动态特性，是未来研究新能源发电和储能设备物理特性和接入技术的关键手段。在研究范围方面，数字物理混合实时仿真的研究领域已经涵盖了电磁暂态、机电暂态以及中长期动态的全过程。机电暂态或者电磁暂态数字仿真只能对特定的现象和范围进行仿真分析，面对快速发展的现代电力***，经常难以描绘和分析一些新现象和新问题；传统的物理实验能够比较准确地模拟实际情况，但其存在建设投资巨大、参数更改困难、模拟规模有限等不足。数字物理混合仿真技术在一定程度上可以弥补这两种方法的不足，它拓宽了电力***数字仿真技术的研究范围，同时也成为该领域的热点和前沿问题之一。
采用数模仿真这种方案来实现光伏逆变器的测试平台，如图2所示，包含中央处理器、光电转换器与逆变器的控制器。
在实时CPU(中央处理器)中构建了光伏面板、光伏逆变器的硬件电路部分、电网测试装置、交流变压器、电网等纯数字模型。而外部逆变器控制器为硬件实物。通过改变实时仿真机中的光伏面板特性以及电网等数字模型，来测试光伏逆变器控制器的性能。
该试验平台以实时处理器(CPU)运行仿真模型来模拟受控对象的运行状态，将实物装置通过计算机接口连接到仿真环境中，能够在实时条件下模拟整个***的运行状态，缩短了控制器研发周期，减少了开发费用，降低了实际***承受各种极限状况的风险，为深入研究***性能提供了有效路径。
该试验平台中，逆变器控制器与实时仿真机仅进行低功率的信号交互。这即是数模混合仿真中的信号型闭环仿真(CHIL，Control-Hardware-in-the-loop)。CHIL指数字仿真***与待测件之间只传输低功率的测量信号及控制信号。
但是，该试验平台存在如下缺点：
(1)、光伏逆变器的硬件电路采用纯数字模型，但对于光伏发电***的物理现象，逆变器内部电力电子器件闭合与开断过程即快速的动态特性，其数字建模仍然不够准确。
(2)、光伏面板和电网侧都采用纯数字模型，光伏逆变器的入网特性仿真试验结果可靠度不够高，与实际情况偏差较大。
(3)、该试验平台还无法完整验证一台实物光伏逆变器入网特性，只能部分验证逆变器的控制器的功能。
发明内容
本发明解决的问题在于提供一种逆变器入网仿真测试***，使对逆变器的测试更全面，同时，测试环境与实际环境更接近，测试结果更准确。
为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种逆变器入网仿真测试***，包含：上位机仿真子***、数字仿真子***、物理模拟子***、逆变器与接口子***；
所述上位机仿真子***与所述实时仿真机相连，用于实时监控仿真测试过程；
所述数字仿真子***经所述接口子***与所述逆变器连接；所述逆变器还与所述物理模拟子***连接；
所述数字仿真子***，用于根据电网模型对电网进行数字实时仿真；
所述物理模拟子***，用于根据发电设备的模型对发电设备进行物理模拟；
所述接口子***，用于对所述数字仿真子***与所述逆变器之间交互的信号进行功率转换。
本发明实施方式相对于现有技术而言，是利用接口子***对数字仿真子***与逆变器之间交互的信号进行功率转换，一方面将数字仿真子***输出的信号级的信号转换为功率级的信号，供逆变器采用以及吸收逆变器所发出的功率；另一方面，将逆变器输出的功率级的信号转换为信号级的信号，供数字仿真子***进行仿真计算；由于接口子***可以将信号级的信号与功率级的信号进行转换，这样可以完成对包含硬件电路(功率部分)和控制器部分的实物逆变器进行全面的测试，使得对逆变器的测试更完整；而且，利用数字仿真子***根据电网模型对电网***进行数字仿真，这样，可以建立较为真实的电网***，使得可以测试发电设备对真实的电网***的影响，使测试结果更准确；同时，利用物理模拟子***模拟发电设备，可以克服数字仿真对发电设备建模不准确的缺点，使得模拟更准确；最后，在测试***中采用实物的逆变器，可以克服数字仿真对逆变器建模不准确的缺点，使测试结果更准确。
另外，所述数字仿真子***包含数字模拟转换接口，所述接口子***包含第一采样单元与功放单元；所述数字模拟转换接口与所述第一采样单元连接；所述第一采样单元还与所述功放单元连接；所述数字模拟转换接口，用于将从所述电网模型中测得的信号级数字信号转换为信号级模拟信号，并输出至所述第一采样单元；所述功放单元，用于对所述第一采样单元接收的信号级模拟信号进行功率放大，并输出至所述逆变器。
另外，所述功放单元为线性功放单元。采用线性功放单元大大减少整个接口子***的延时时间并且降低功放单元本身的谐波失真。
另外，所述数字仿真子***包含模拟数字转换接口与第二采样单元，所述接口子***包含传感器与功放单元；所述逆变器经所述传感器与所述功放单元连接；所述传感器还与所述模拟数字转换接口连接；所述模拟数字转换接口还与所述第二采样单元连接；所述传感器，用于采样所述逆变器输出的功率级模拟信号并按照预设变比转换为信号级模拟信号，并输出至所述模拟数字转换接口；所述模拟数字转换接口，用于将接收的信号级模拟信号转换为信号级数字信号，并输出至所述第二采样单元；所述数字仿真子***，还用于将所述第二采样单元采样的信号级数字信号代入所述电网模型进行仿真；所述功放单元用于吸收所述逆变器的输出功率。
另外，所述上位机仿真子***包含在线参数设置模块、实时数据显示模块和在线数据记录模块；所述在线参数设置模块，用于根据测试目标在线调整运行于数字仿真子***中电网模型的参数；所述实时数据显示模块用于显示从所述数字仿真子***回传的数据；所述在线数据记录模块用于保存所述数字仿真子***回传的数据。
附图说明
图1是根据现有技术中基于物理模拟的光伏逆变器入网测试***框图；
图2是根据现有技术中基于数模仿真的光伏逆变器入网测试***框图；
图3是根据本发明一较佳实施方式的逆变器入网仿真测试***框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。
本发明的一较佳实施方式涉及一种逆变器入网仿真测试***，具体结构如图3所示，包含：上位机仿真子***、数字仿真子***、物理模拟子***、光伏逆变器、接口子***与电网。
上位机仿真子***与数字仿真子***相连，用于实时监控仿真测试过程。具体地说，上位机仿真子***包含在线参数设置模块(未示出)、实时数据显示模块和在线数据记录模块(未示出)。在线参数设置模块根据测试目标在线调整运行于数字仿真子***中的电网模型的参数。比如，如果测试电网波动对光伏逆变器的影响，可以通过上位机仿真子***中的在线参数设置模块在线设置电网模型的电压幅值、频率参数，对电网电压的波动进行仿真；再如，如果测试电网故障对光伏逆变器的影响，也可以通过调整电网模型的参数，对电网的故障进行仿真，以测试电网故障对光伏逆变器的影响。实时数据显示模块用于实时显示数字仿真子***回传的数据。在线数据记录模块保存数字仿真子***回传的数据。
数字仿真子***根据内置的电网模型对电网进行数字仿真。具体地说，在本实施方式中，在数字仿真子***中可以建立复杂的电网拓扑结构(电网模型)，对电网进行接近真实的仿真，还可以模拟实际电网的波动、故障等特性，而不是一个简单的电源。通过模拟实际电网的波动，可以测试实际电网波动对光伏逆变器的影响。利用数字仿真子***根据电网模型对电网***进行数字仿真，还可以测试光伏逆变器对真实的电网***的影响，测试结果更真实、更准确。
物理模拟子***根据内置的光伏电池的模型对光伏电池进行物理模拟。利用物理模拟***对光伏电池进行模拟，可以克服数字仿真对发电设备建模不准确的缺点，使得模拟更准确。
数字仿真子***经接口子***与光伏逆变器连接；光伏逆变器还与物理模拟子***连接。接口子***对数字仿真子***与逆变器之间交互的信号进行功率转换。一方面，接口子***将数字仿真子***输出的信号级的信号转换为功率级的信号，供逆变器采用以及吸收逆变器所发出的功率；另一方面，接口子***将逆变器输出的功率级的信号转换为信号级的信号，供数字仿真子***进行仿真；由于接口子***可以将信号级的信号与功率级的信号进行转换，这样，可以完成对含硬件电路(功率部分)和控制器部分的完整逆变器进行测试，使得对逆变器的测试更完整。
在测试***中采用实物的光伏逆变器，可以克服数字仿真对逆变器建模不准确的缺点，避免不能仿真逆变器内部电力电子器件闭合与开断过程即快速的动态特性的技术难点，使测试结果更准确。而且，将光伏逆变器实物置于由数字仿真子***建立的虚拟电网***中进行闭环仿真，可以使测试环境既与实际环境更接近，使测试结果更真实。
另外，数字仿真子***还包含电网仿真模块(未示出)；电网仿真模块与接口子***连接，用于控制接口子***建立真实的电网电压。
具体地说，在本实施方式中，数字仿真子***采用实时仿真机。实时仿真机中包含高速处理器(用于模拟实时仿真计算)与数字模拟转换接口(D/A)、模拟数字转换接口(A/D)与第二采样单元；接口子***包含第一采样单元、电流传感器与功放单元；物理模拟子***为光伏模拟器。
处理器与数字模拟转换接口(D/A)连接，处理器根据电网模型对电网进行数字仿真，并将仿真结果输出至数字模拟转换接口(D/A)；数字模拟转换接口(D/A)对接收的信号进行数模转换，并将转换后的模拟信号输出至接口子***的第一采样单元。其中，数字仿真子***产生的是信号级的信号，功率较低，不能直接为物理模拟子***所用。
数字模拟转换接口(D/A)与第一采样单元连接，第一采样单元还与功放单元连接。第一采样单元用于接收数字模拟转换接口(D/A)输出的信号级信号，并输出至功放单元，进行功率放大，建立真实的电网电压；其中，逆变器接收的信号为功率级信号。在本实施方式中，功放单元可以采用线性线性功放单元，具体可以采用德国Spitzenberger&Spies(SPS)的功率放大器，这样，可以大大减少整个接口子***的延时时间并且避免测试过程中由功放单元本身的谐波失真导致测试精度下降的问题。
光伏逆变器与光伏模拟器连接，光伏模拟器依据所设定的环境特征模拟光伏电池发出直流电，光伏逆变器将直流电转化为交流电然后并入数字仿真子***中模拟的电网中。光伏逆变器可以依据电网电压动态地调节其产生的并网电流。
由于功放单元可以将数字仿真子***产生的信号级信号转换为功率级信号，这样，光伏逆变器中的控制器可以利用数字仿真子***仿真结果进行控制，测试电(微)网中的一个具体扰动对光伏发电***的影响。
至此介绍了由数字仿真子***的仿真信号构建电网电压并形成逆变器并网电流的光伏逆变器并网的工作过程。由上可知，本实施方式中的测试***，可以根据测试目标进行灵活调节。
下面介绍光伏逆变器反馈模拟信息至数字仿真子***的工作过程。
光伏逆变器经霍尔型电流传感器与功放单元连接，电流传感器还与模拟数字转换接口(A/D)连接。光伏逆变器将光伏模拟器产生的功率级直流信号转换为功率级交流信号(模拟信号)，并输出至功放单元，由功放单元吸收其发出的功率；电流传感器串联在光伏逆变器与功放单元连接的线路中，采样光伏逆变器输出的功率级模拟信号，并按照预设变比转换为信号级电压信号(模拟信号)，且输出至模拟数字转换接口(A/D)。
模拟数字转换接口(A/D)还与第二采样单元连接，用于将接收的信号级模拟信号转换为信号级数字信号，并输出至第二采样单元。
第二采样单元与处理器连接，用于将接收的信号输出至处理器，处理器将第二采样单元采样的信号级数字信号代入电网模型进行仿真，测试光伏逆变器入网对复杂电网的影响。
由于电流传感器可以将光伏逆变器产生的功率级信号转换为信号级信号，这样，数字仿真子***就可以利用光伏逆变器的并网电流模拟量进行解算，测试光伏入网逆变器并网对复杂电网的影响。
需要说明的是，功放单元吸收的功率不会反馈至电网，电网仅用于为功放单元供电。
由上可知，本实施方式中测试***通过改变数字仿真侧的电网参数，可以模拟真实电网的规模以及电网波动效果，也可以改变物理模拟侧光伏模拟器的PV特性曲线，以达到模拟不同环境条件下，真实的光伏逆变器入网试验环境。总之，本实施方式中测试***兼备物理仿真的真实性与数字仿真建模速度快、仿真规模大、参数在线调整方便等特性。
具体而言，利用本实施方式中的测试***，还可以进行光伏逆变器的入网稳态、暂态试验；光伏逆变器的低电压穿越试验；防孤岛保护试验；光伏逆变器微网环境下的入网仿真试验；只要根据测试目标调整电网模型和模型的参数即可。
另外，需要说明的是，在本实施方式中，以光伏电池为发电设备为例进行了详细说明，在实际应用中，发电设备也可以是其他新能源设备，不限于本实施方式中的光伏电池。
本实施方式中的测试***为新能源设备的入网测试提供了高效、灵活、准确的测试***，为交直流***的相互影响以及可再生能源发电、储能、微网等***的特性以及接入技术的研究提供了一条新的途径。
与现有技术相比，是利用接口子***对数字仿真子***与逆变器之间交互的信号进行功率转换，一方面将数字仿真子***输出的信号级的信号转换为功率级的信号，供逆变器采用以及物理模拟子***进行模拟；另一方面，将逆变器输出的功率级的信号转换为信号级的信号，供数字仿真子***进行仿真；由于接口子***可以将信号级的信号与功率级的信号进行转换，这样可以完成对包含硬件电路(功率部分)和控制器部分的完整逆变器进行全面的测试，使得对逆变器的测试更完整；而且，利用数字仿真子***根据电网模型对电网***进行数字仿真，这样，可以建立较为真实的电网***，使得可以测试发电设备对真实的电网***的影响，使测试结果更准确；同时，利用物理模拟子***模拟发电设备，可以克服数字仿真对发电设备建模不准确的缺点，使得模拟更准确；最后，在测试***中采用实物的逆变器，可以克服数字仿真对逆变器建模不准确的缺点，使测试结果更准确。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (10)
1.一种逆变器入网仿真测试***，其特征在于，包含：上位机仿真子***、数字仿真子***、物理模拟子***、逆变器与接口子***；
所述上位机仿真子***与所述数字仿真子***相连，用于实时监控仿真测试过程；
所述数字仿真子***经所述接口子***与所述逆变器连接；所述逆变器还与所述物理模拟子***连接；
所述数字仿真子***，用于根据电网模型对电网进行数字实时仿真；
所述物理模拟子***，用于根据发电设备的模型对发电设备进行物理模拟；
所述接口子***，用于对所述数字仿真子***与所述逆变器之间交互的信号进行功率转换。
2.根据权利要求1所述的逆变器入网仿真测试***，其特征在于，所述数字仿真子***包含数字模拟转换接口，所述接口子***包含第一采样单元与功放单元；
所述数字模拟转换接口与所述第一采样单元连接；所述第一采样单元还与所述功放单元连接；
所述数字模拟转换接口，用于将从所述电网模型中测得的信号级数字信号转换为信号级模拟信号，并输出至所述第一采样单元；
所述功放单元，用于对所述第一采样单元接收的信号级模拟信号进行功率放大，并输出至所述逆变器。
3.根据权利要求2所述的逆变器入网仿真测试***，其特征在于，所述功放单元为线性功放单元。
4.根据权利要求1所述的逆变器入网仿真测试***，其特征在于，所述数字仿真子***包含模拟数字转换接口与第二采样单元，所述接口子***包含传感器与功放单元；
所述逆变器经所述传感器与所述功放单元连接；所述传感器还与所述模拟数字转换接口连接；所述模拟数字转换接口还与所述第二采样单元连接；
所述传感器，用于采样所述逆变器输出的功率级模拟信号并按照预设变比转换为信号级模拟信号，并输出至所述模拟数字转换接口；
所述模拟数字转换接口，用于将接收的信号级模拟信号转换为信号级数字信号，并输出至所述第二采样单元；
所述数字仿真子***，还用于将所述第二采样单元采样的信号级数字信号代入所述电网模型进行仿真；
所述功放单元用于吸收所述逆变器的输出功率。
5.根据权利要求4所述的逆变器入网仿真测试***，其特征在于，所述传感器为电流传感器。
6.根据权利要求5所述的逆变器入网仿真测试***，其特征在于，所述电流传感器为霍尔型电流传感器。
7.根据权利要求1所述的逆变器入网仿真测试***，其特征在于，所述数字仿真子***为实时仿真机。
8.根据权利要求1所述的逆变器入网仿真测试***，其特征在于，所述数字仿真子***包含电网仿真模块；
所述电网仿真模块与所述接口子***连接，用于控制所述接口子***建立真实的电网电压。
9.根据权利要求1所述的逆变器入网仿真测试***，其特征在于，所述上位机仿真子***包含在线参数设置模块、实时数据显示模块和在线数据记录模块；
所述在线参数设置模块，用于根据测试目标在线调整运行于所述数字仿真子***中的电网模型的参数；
所述实时数据显示模块，用于显示从所述数字仿真子***回传的数据；
所述在线数据记录模块，用于保存所述数字仿真子***回传的数据。
10.根据权利要求1所述的逆变器入网仿真测试***，其特征在于，所述物理模拟子***为光伏模拟器，用于模拟光伏电池，所述逆变器为光伏逆变器。
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