具有實時動態(tài)控制能力的微網(wǎng)測試平臺方案探討

在智能電網(wǎng)的研究項目中，實時地調(diào)配各種不同來源的電力供應(yīng)，滿足當前微網(wǎng)的耗能需求是關(guān)鍵的研究課題之一。而作為研究的一種重要手段，就是在實驗室里搭建一整套完整的模擬系統(tǒng)，包括風能、太陽能、儲能電池、電動汽車(充電樁)、功率馬達設(shè)備、常規(guī)負載(如家電產(chǎn)品)等各種模擬器甚至真實設(shè)施，通過受控的電網(wǎng)模擬器全部連接在一起，研究各種供電來源與用電負載在各種情形下的表現(xiàn)。

對于這樣一整套測試平臺，電網(wǎng)模擬器作為所有其他設(shè)備的核心聯(lián)結(jié)設(shè)備，通過調(diào)整其輸出可以輕松模擬真實電網(wǎng)上各種偶發(fā)或者具有危害性的事件，觀察、評判掛載的各種設(shè)備的應(yīng)對行為以便進行相應(yīng)的改進。這就要求電網(wǎng)模擬器具有強大的電壓、頻率調(diào)節(jié)控制能力，良好地支持能量的雙向流動，靈活實時地接受外部指令控制等能力。特別是隨著研究的深入，對于控制模擬電網(wǎng)輸出的實時性要求越來越高，波形變化日趨復(fù)雜，要求實現(xiàn)所謂硬件在環(huán)(Hardware-in-the-loop)的模擬，這對于作為普通交流源的電網(wǎng)模擬器產(chǎn)品的控制能力的要求也越來越嚴苛。

常規(guī)的控制方式是面板操作或者通過GPIB/RS232($780.5000)/USB/Ethernet等通信接口發(fā)送SCPI指令遠程程控，但是這兩種方式都難以滿足當前這種對于實時輸出復(fù)雜波形的要求。實時性比較好的控制方式是利用外部的模擬量信號來直接控制電網(wǎng)模擬器的輸出，此時電網(wǎng)模擬器的工作狀態(tài)就相當于一臺線性放大器，直接將外部的模擬量信號等比例放大，并提供相應(yīng)的輸出功率支持。

至于外部控制信號的來源，尤其是其會需要提供各種復(fù)雜狀況的模擬能力，目前也已經(jīng)有成熟的商業(yè)化工具，即實時數(shù)字仿真系統(tǒng)(Real Time Digital($132.9200) Simulation， RTDS)。RTDS是一種功能強大的工具，由硬件和軟件組合而成。其內(nèi)建有廣泛的電力系統(tǒng)元件模塊數(shù)據(jù)庫，用戶可以在圖形化軟件界面中利用現(xiàn)有的元件模塊組建起電力系統(tǒng)的回路，設(shè)定相應(yīng)的研究序列。RTDS能夠連續(xù)地產(chǎn)生輸出來真實地代表實際網(wǎng)絡(luò)中的情況，模擬許多惡劣的但很現(xiàn)實的情況，提供大量的數(shù)字量和模擬量的輸入輸出接口，可以直接連到外部設(shè)備設(shè)備上去。

我們使用AMETEK California Instrument(加州儀器，以下簡稱CI)旗下的RS系列高功率交流源來作為配套RTDS的電網(wǎng)模擬器，該款產(chǎn)品可提供90KVA至1MVA的功率輸出，支持100%標稱功率的能量雙向流動，穩(wěn)定輸出主頻范圍為16Hz至820Hz，同樣還支持直流輸出。目前其提供的外部模擬量控制接口支持0至7Vac輸入電壓對應(yīng)0至滿量程輸出電壓，并且支持三相分別獨立受控于各自的模擬量輸入。

我們以此RS交流電源配套加拿大某品牌實時控制器來驗證系統(tǒng)性能。

系統(tǒng)測試配置方案如下。

需要注意，CI RS電源本身是一臺開關(guān)模式的電源，其調(diào)控輸出變化的能力是有固有上限的，在常規(guī)操作時電源本身的控制器會對控制信號進行辨別，可以主動拒絕超限操作的執(zhí)行，例如我們無法給電源設(shè)置一個超出其允許范圍的頻率或者電壓值。而當我們使用外部模擬量信號控制時，為了達到較好的實時性，外部信號是直接控制CI RS電源的功率模塊，不需事先經(jīng)過其控制器的研判。因此硬件設(shè)計上要考慮到輸入信號超限、或者被疊加了較多干擾信號的情況，不能因此造成電源的損傷。

CI RS電源在外部模擬量信號的輸入處特意加裝了一個濾波器，藉此濾除高頻雜波干擾，另外對于控制信號超出電源本身能力的情況也采取了相應(yīng)的保護應(yīng)對措施。

系統(tǒng)功能的驗證過程如下。

(1) 普通60Hz正弦波和方波的情況。初步的波形驗證證明CI RS電源基本上可以良好地遵照實時控制器的信號來提供輸出。以下分別是控制信號為60Hz正弦波和方波的情況。其中橙色波形為實時控制器的電壓信號，紅色波形為RS輸出電壓波形。

利用示波器的波形圖我們可以輕松地驗證CI RS電源接受外部模擬量控制時的延時到底是多少。從實測的結(jié)果來看，基本上是在100微秒左右。

(2)60Hz正弦波從0V至230V漸變啟動。

(3)60Hz正弦波從230V漸變關(guān)斷(左圖)以及直接關(guān)斷(右圖)的情況。

(4)60Hz正弦波從230V 90度角時以1ms漸變關(guān)斷。

(5)800Hz輸出的情況。目前CI RS接受外部模擬量控制的信號頻率上限為819Hz，當反灌功能開啟時頻率上限為500Hz。當超過此限時RS會自動切斷輸出以進行保護。以下是用外部模擬量控制230V 800Hz時的輸出表現(xiàn)。

(6)60Hz 230V三角波的情況。右圖為放大后的細節(jié)圖。

(7)高頻保護的表現(xiàn)。當CI RS受外部模擬量控制要求輸出超上限頻率時，RS大約在150ms后自動關(guān)斷輸出。右圖為關(guān)斷時刻放大后的細節(jié)圖。

(8)230V 60Hz正弦波上疊加400Hz 85V峰峰值的紋波噪聲后的表現(xiàn)。右圖為放大后的細節(jié)圖。

(9)215V低上升斜率方波(上升時間約為2毫秒)的表現(xiàn)。右圖為放大后的細節(jié)圖。表現(xiàn)良好。

(10)215V高上升斜率方波(上升時間約為30微秒)的表現(xiàn)。右圖為放大后的細節(jié)圖?？梢钥闯霎斖獠靠刂菩盘栆驝I RS的電壓變化速率超出其能力時，CI RS的輸出會出現(xiàn)振鈴的情況。

(11)帶載情況下的模擬。由于CI RS本身是作為電壓源，其主要調(diào)控輸出電壓，電流由負載拉載來決定，其電流輸出性能與控制源是使用本機控制還是接受外部模擬量控制無關(guān)。已經(jīng)有眾多的實際應(yīng)用證明了CI RS在使用自身控制器時輸出各種電壓波形下的優(yōu)異電流表現(xiàn)。以下是韓國某研究院使用CI RS接受RTDS控制信號進行接地故障模擬的波形圖，帶載為30KW+10KVA。

其中黃色軌跡為A相電壓，紫色軌跡為B相電壓，綠色軌跡為A相電流，藍色軌跡為RTDS控制A相電壓的信號。

綜合以上驗證測試結(jié)果，100微秒的延時也是屬于可接受的范圍，這樣我們就擁有了一個真實地可以提供從90KVA到1MVA功率范圍的模擬電網(wǎng)平臺，配合RTDS系統(tǒng)可以實現(xiàn)對各種復(fù)雜電力環(huán)境的模擬， 連接各種新能源發(fā)電設(shè)備、用電載荷、儲能設(shè)備等，就可以在實驗室里建立起一整套完整的微電網(wǎng)模擬測試平臺，滿足科學研究及實際驗證的需要。