一种光伏并网发电半实物仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光伏并网发电半实物仿真系统，包括处理单元、通信协议转换单元、电气信号转换单元、光伏实物控制器及被控对象模拟器，所述处理单元、通信协议转换单元、电气信号转换单元构成模拟光伏实物控制器所有外部信号的电气环境，所述处理单元和通信协议转换单元用来向光伏实物控制器提供SCADA的通讯信号，所述电气信号转换单元用来针对光伏实物控制器的输入输出信号特征为光伏实物控制器提供外部电气信号；所述光伏实物控制器与被控对象模拟器相连。本发明专利技术具有能够提高运算周期和计算精度、提升工作效率、优化整体性能等优点。

【技术实现步骤摘要】


本专利技术主要涉及到电力电子设备的仿真系统领域，特指一种适用于光伏并网发电的半实物仿真系统。

技术介绍

电力电子技术可以实现电能的变换和控制，已广泛应用于工业、交通、国防等国民经济的各个领域。随着国家节能减排政策的深入，电力电子技术在我国各行各业的应用将会更加的普及和广泛。由于电力电子系统是一个复杂的非线性系统，设计和分析的难度较大，通常需要较长的设计开发过程，并要进行大量的实验研究。
在电力电子系统的分析和设计中，计算机仿真技术由于其良好的可重复性和安全性得到了广泛的应用，可以有效的减少费时费力的实验研究，节约成本开支，缩短开发周期等。顾名思义，“半实物仿真”就是指在仿真系统中一部分为实物，另一部分为虚拟仿真对象，是所有仿真中置信度最高的一种仿真方法。而硬件在回路又是半实物仿真的另一种方式，即控制器为实物，被控对象为虚拟对象，这种方式主要用于控制器软件硬件设计和测试，是一种节约试验成本和缩短开发周期的好方式。
而光伏并网发电作为电力电子领域在轨道交通中的一种应用方式，也是需要进行半实物仿真，因此就需要一套专用的光伏并网发电半实物仿真系统，用以解决系统从设计之初，到试验调试，再到现场交付调试等全过程的仿真需求。
一般的光伏并网发电半实物仿真系统可以分为以下两个部分：
1、光伏实物控制器；
光伏逆变器的控制器，其核心任务是根据远程和本地指令完成对光伏逆变器的实时控制，满足低电压穿越、电网适应性、电能质量、孤岛防护等多项要求，同时具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。
2、被控对象模拟器；
需要模拟的被控对象运行于模拟器中，并通过自带的IO板卡将计算的结果输出为电气信号。被控对象是光伏并网发电系统的主电路，通过建立其数学模型并编程实现，最后下载进入被控对象模拟器的CPU板卡中，即达到模拟被控对象的目的。
整个系统其中重点是使虚拟被控对象尽可能的与真实被控对象一致。
如图2所示，为现有传统的仿真系统，它是根据机车对象模型的输入输出关系将需要建模的主电路拆分为两部分，分别运行于被控对象模拟器的CPU1板、CPU2板和CPU3板。CPU1板用于模拟以下模型：交流供电网，交流接触器，RLC负载；CPU2板用于模拟以下模型：主机逆变器，光伏电池组；CPU3板用于模拟以下模型：从机逆变器，光伏电池组。每块CPU板卡都带有I/O板：通过IO板卡将CPU板的输出信号转换为电信号输出，将输入的电信号转换为CPU板的输入信号。光伏实物控制器：被验证的光伏实物控制器。该系统的工作原理为：CPU板通过IO板读入光伏实物控制器的控制信号和另一块CPU板的输出信号，作为本CPU板的输入，根据仿真模型计算得到本CPU板的输出，将输出量通过IO板送给光伏实物控制器，光伏实物控制器采集被控对象模拟器的输出信号，通过这些信号计算出下一步光伏实物控制器的输出控制，这样就形成了一个硬件在环的闭环验证。
上述结构存在的技术问题就在于：
首先、CPU处理能力有限，现有技术CPU的计算步长一般最快为20μs，导致以下问题：
（1）会造成脉冲采样计算延迟，影响模型解算的精度。
令器件开关频率FPWM=3000Hz，CPU的计算步长为20μs，那么
Err1=FPWM×20×10-6×100%=6%
（2）会造成解算步长限制，导致系统在模拟一些极限工况，容易解算发散，影响系统稳定性。
虽然采用一些特殊的解算方法，或者根据实际的极限工况，修改仿真的模型，可以在一定程度上避免系统的解算发散，但是这带来很大的工作量，导致效率很低。
其次，被控对象模拟器的IO信号等级较低，一般数字信号为5V电平，模拟信号为-10V～10V的模拟电压信号，与光伏实物控制器是不一致的。现有技术方案中的光伏实物控制器的IO信号等级均是进行过硬件改造使之适合于被控对象模拟器的低电压等级信号。光伏实物控制器因为需要进行硬件改造，不仅需要大量时间和人力进行，还会造成光伏实物控制器本身具有不完整性的硬件缺陷，影响控制结果和精度。
最后，光伏实物控制器在实际环境中还要接收来自它的远程SCADA系统的控制指令，同时发送光伏逆变器的运行状态信息给远程SCADA系统，这才是光伏实物控制器在实际中的运行环境。而现有的技术方案中并没有对光伏实物控制器的上层控制系统的信号进行模拟，这是一个不完整的仿真系统。

技术实现思路

本专利技术要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本专利技术提供一种能够提高运算周期和计算精度、提升工作效率、优化整体性能的一种光伏并网发电半实物仿真系统。
为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
一种光伏并网发电半实物仿真系统，包括处理单元、通信协议转换单元、电气信号转换单元、光伏实物控制器及被控对象模拟器，所述处理单元、通信协议转换单元、电气信号转换单元构成模拟光伏实物控制器所有外部信号的电气环境，所述处理单元和通信协议转换单元用来向光伏实物控制器提供SCADA的通讯信号，所述电气信号转换单元用来针对光伏实物控制器的输入输出信号特征为光伏实物控制器提供外部电气信号；所述光伏实物控制器与被控对象模拟器相连。
作为本专利技术的进一步改进：所述被控对象模拟器采用CUP板和FPGA板组合的架构形式来进行光伏并网发电系统模型的半实物仿真，根据输入输出关系将需要建模的主电路拆分后运行于CPU板和FPGA板。
作为本专利技术的进一步改进：所述CPU板通过IO板读入光伏实物控制器的控制信号和FPGA板的输出信号，作为本CPU板的输入；根据仿真模型计算得到本CPU板的输出，将输出量通过IO板送给光伏实物控制器；所述FPGA板通过IO板读入光伏实物控制器的控制信号和CPU板的输出信号，作为本FPGA板的输入，根据仿真模型计算得到本FPGA板的输出，将输出量通过IO板送给光伏实物控制器，进行硬件在回路闭环验证。
作为本专利技术的进一步改进：所述CUP板和FPGA板均为两块。
作为本专利技术的进一步改进：所述被控对象模拟器中的拆分原则为：
（1）直流电容、逆变器模块、LCL滤波器的机侧电感和电容，划入FPGA板；
（2）交流供电网划入CPU板；
（3）光伏电池组划入CPU板。
作为本专利技术的进一步改进：所述主电路的拆分方式为：
CPU1板：交流供电网，交流断路器，RLC负载；
CPU2板：主机光伏电池组、从机光伏电池组；
FPGA1板：主机逆变器；
FPGA2板：从机逆变器。
作为本专利技术的进一步改进：所述主电路的拆分方式为：
CPU1板：交流供电网，交流断路器，RLC负载，主机光伏电池组；
CPU2板：从机光伏电池组；
FPGA1板：主机逆变器；
FPGA2板：从机逆变器。
作为本专利技术的进一步改进：所述主电路的拆分方式为：
CPU1板：交流供电网；
CPU2板：主机光伏电池组、从机光伏电池组；
FPGA1板：主机逆变器，交流断路器，RLC负载；
FPGA2板：从机逆变器。
作为本专利技术的进一步改进：所述主电路的拆分方式为：
CPU1板：交流供电网，交流断路器，RLC负载，主机LCL滤波器的机侧电感，从机LCL滤波器的机侧电感；
CPU2板：主机光伏电池组、从机光伏电池本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光伏并网发电半实物仿真系统，其特征在于，包括处理单元、通信协议转换单元、电气信号转换单元、光伏实物控制器及被控对象模拟器，所述处理单元、通信协议转换单元、电气信号转换单元构成模拟光伏实物控制器所有外部信号的电气环境，所述处理单元和通信协议转换单元用来向光伏实物控制器提供SCADA的通讯信号，所述电气信号转换单元用来针对光伏实物控制器的输入输出信号特征为光伏实物控制器提供外部电气信号；所述光伏实物控制器与被控对象模拟器相连。

【技术特征摘要】
1.一种光伏并网发电半实物仿真系统，其特征在于，包括处理单元、通信协议转换单元、电气信号转换单元、光伏实物控制器及被控对象模拟器，所述处理单元、通信协议转换单元、电气信号转换单元构成模拟光伏实物控制器所有外部信号的电气环境，所述处理单元和通信协议转换单元用来向光伏实物控制器提供SCADA的通讯信号，所述电气信号转换单元用来针对光伏实物控制器的输入输出信号特征为光伏实物控制器提供外部电气信号；所述光伏实物控制器与被控对象模拟器相连。
2.根据权利要求1所述的光伏并网发电半实物仿真系统，其特征在于，所述被控对象模拟器采用CUP板和FPGA板组合的架构形式来进行光伏并网发电系统模型的半实物仿真，根据输入输出关系将需要建模的主电路拆分后运行于CPU板和FPGA板。
3.根据权利要求2所述的光伏并网发电半实物仿真系统，其特征在于，所述CPU板通过IO板读入光伏实物控制器的控制信号和FPGA板的输出信号，作为本CPU板的输入；根据仿真模型计算得到本CPU板的输出，将输出量通过IO板送给光伏实物控制器；所述FPGA板通过IO板读入光伏实物控制器的控制信号和CPU板的输出信号，作为本FPGA板的输入，根据仿真模型计算得到本FPGA板的输出，将输出量通过IO板送给光伏实物控制器，进行硬件在回路闭环验证。
4.根据权利要求2所述的光伏并网发电半实物仿真系统，其特征在于，所述CUP板和FPGA板均为两块。
5.根据权利要求2所述的光伏并网发电半实物仿真系统，其特征在于，所述被控对象模拟器中的拆分原则为：
（1）直流电容、逆变器模块、LCL滤波器的机侧电感和电容，划入FPGA板；
（2）交流供电网划入CPU板；
（3）光伏电池组划入CPU板。
6.根据权利要求4所述的光伏并网发电半实物仿真系统，其特征在于，所述主电路的拆分方式为：
CPU1板：交流供电网，交流断路器，RLC负载；
CPU2板：主机光伏电池组、从机光伏电池组；
FPGA1板：主机逆变器；
FPGA2板：从机逆变器。
7.根据权利要求4所述的光伏并网发电半实物仿真系统，其特征在于，所述主电路的拆分方式为：
CPU1板：交流供电网，交流断路器，RLC负载，主机光伏电池组；
CPU2板：从机光伏电池组；
FPGA1板：主机逆变器；
FPGA2板：从机逆变器。
8.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坚，许为，陈柳松，徐立恩，张杰，张宇，谭娟，应婷，刘昭翼，
申请(专利权)人：南车株洲电力机车研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43