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(dāng)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(fēng)能、太陽能、儲能電池、電動汽車(充電樁)、功率馬達(dá)設(shè)備、常規(guī)負(fù)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(fù)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(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。這就要求電網(wǎng)模擬器具有強(qiáng)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(yán)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(yuǎn)程程控，但是這兩種方式都難以滿足當(dāng)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(dāng)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(qiáng)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(biāo)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(jìn)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(dāng)我們使用外部模擬量信號控制時，為了達(dá)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(hù)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(dāng)反灌功能開啟時頻率上限為500Hz。當(dāng)超過此限時RS會自動切斷輸出以進(jìn)行保護(hù)。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(xì)節(jié)圖。

(7)高頻保護(hù)的表現(xiàn)。當(dāng)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(xì)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(xì)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(xì)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(xì)節(jié)圖。可以看出當(dāng)外部控制信號要求CI 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(fù)載拉載來決定，其電流輸出性能與控制源是使用本機(jī)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(jìn)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(lán)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(xué)研究及實際驗證的需要。