基于rtds的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺的制作方法
【專利摘要】一種基于RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺，所述平臺依托RTDS仿真器及外部設備，構建測試平臺，搭建測試系統(tǒng)仿真模型，實現對光伏并網系統(tǒng)的測試；所述測試仿真模型中，特別設計了光伏列陣的MPPT控制模型和V/Q控制模型。測試平臺由仿真系統(tǒng)工作站、RTDS仿真器、功率放大器、孤島防護裝置及故障錄波器構成。所述平臺通過搭建光伏并網測試V/Q控制模型和MPPT控制模型，實現了防孤島保護裝置動態(tài)測試。該光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置測試平臺，利用RTDS/RSCAD建模并仿真，采用V/Q控制方式實現光伏并網控制，不需采用鎖相控制技術，簡化了控制系統(tǒng)設計，能準確實現功率因數可調，控制效果好。該平臺適用于35kV及以下電壓等級的光伏并網系統(tǒng)的孤島防護裝置的閉環(huán)測試。
【專利說明】基于RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺，屬電力測 試【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 隨著電力需求的不斷增長，全球能源供應的日益緊張，太陽能的利用正受到越來 越多的重視，分布式發(fā)電中廣泛利用太陽能，既可以減少傳統(tǒng)能源的消耗，又可以減少環(huán)境 污染。
[0003] RTDS是精確的實時仿真系統(tǒng)，可以為外部設備提供良好的測試環(huán)境。在RTDS仿 真平臺上建立兩級式光伏并網發(fā)電系統(tǒng)，它對光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的研究具有重要的現實意 義。并網逆變器作為光伏發(fā)電設備與電網的接口設備，對其的控制是并網發(fā)電系統(tǒng)的核心。 常規(guī)的PI控制器易于實現，但對正弦波的參考量卻難以消除穩(wěn)態(tài)誤差。已有很多文獻記載 了采用網側電流控制模式實現并網逆變器的控制，取得了較好的效果，但必須采用對電網 電壓的鎖相環(huán)控制技術。本專利提出了 V/Q控制模式實現逆變器的并網控制，不需要采用 復雜的鎖相環(huán)控制技術，在保證逆變器直流側電流恒定的情況下，調節(jié)直流母線電壓V，即 調節(jié)逆變器輸入功率，并控制網側無功為恒定值〇,保證了逆變器功率因數為1的并網運行 要求。光伏陣列的MPPT控制也是本文控制系統(tǒng)的一部分，采用恒定電壓跟蹤法快速跟蹤最 大功率點（MPP -Maximum Power Point),通過大電感與逆變器直流側相連，從而保證了逆 變器輸入的直流電流平滑，仿真結果表明系統(tǒng)結構合理，控制系統(tǒng)性能優(yōu)良。通過光伏電站 防孤島保護裝置實驗，驗證了該光伏并網仿真模型結構合理，控制系統(tǒng)性能優(yōu)良，能夠應用 于大型光伏電站并網仿真研究及各類裝置的閉環(huán)實驗。
【發(fā)明內容】
[0004] 本發(fā)明的目的是，為了對光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置進行測試，提出一種基于 RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺。
[0005] 本發(fā)明的技術方案是，本發(fā)明依托RTDS仿真器及外部設備，構建測試平臺，搭建 測試系統(tǒng)仿真模型，實現對光伏并網系統(tǒng)的測試；所述測試仿真模型中，特別設計了光伏列 陣的MPPT控制模型和V/Q控制模型。
[0006] 本發(fā)明光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺由試驗模型工作站、RTDS仿真器、 功率放大器、光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置及故障錄波器連接構成。試驗模型工作站通過 以太網與RTDS仿真器相連接，RTDS輸出的數字信號連接到功率放大器的輸入端，功率放大 器輸出的二次信號同時連接到光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置及故障錄波器上。RTDS的跳合 閘信號通過GTFPI卡與光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置的跳合閘繼電器以及故障錄波器相 連接，光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置輸出的開關位置信號與RTDS仿真器相連接。
[0007] 所述功率放大器輸出的二次信號包括電壓信號及電流信號，經過功率放大器放大 后的電壓和電流模擬量信號連接到光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置及故障錄波裝置的采樣 端子上。
[0008] 本發(fā)明測試平臺連接如圖1所示。
[0009] 本發(fā)明仿真模型如圖2所示。仿真模型設置在RTDS仿真器內，仿真模型包括：DC/ DC直流變換、DC/AC直流-交流變換，110kV線路Ll，35kV線路L2,變壓器T35、T110,110kV 大電網系統(tǒng)SI 10,斷路器BRK1?BRK10和光伏系統(tǒng)并網開關BRK1。每一路的光伏電池均連 接DC/DC的輸入端，DC/DC的輸出端連接DC/AC的輸入端，DC/AC的輸出端通過斷路器連接 T35變壓器的低壓（380伏）端，T35變壓器的高壓（35kV)端通過斷路器連接T110變壓器 的低壓（35kV)端，T110變壓器的高壓（110kV)端通過斷路器連接110kV大電網系統(tǒng)S110。 仿真系統(tǒng)中間DC/AC輸出端的380伏可直接接380伏負載；T35變壓器輸出的35kV經斷路 器也可接35kV的負載。
[0010] 本發(fā)明測試平臺中，光伏并網系統(tǒng)利用RTDS/RSCAD建模并仿真，采用V/Q控制模 型實現光伏并網控制。所述V/Q控制模型由載波電路、調制電路和比較器電路構成；載波電 路和調制電路分別連接比較器電路的輸入端，比較器電路的輸出端連接逆變器的控制端。 調制電路的輸入端的一個端口連接直流母線，從直流母線接入直流電壓信號，另一個端口 連接電網，從電網接入無功信號。
[0011] 本發(fā)明測試仿真模型中，設計了光伏列陣的MPPT控制模型，光伏列陣的MPPT控制 模型由調制器電路、載波發(fā)生器電路、比較器電路和DC-DC電路構成；調制器電路和載波發(fā) 生器電路分別接比較器電路的輸入端，比較器電路的輸出端連接DC-DC電路；光伏陣列端 電壓通過PI調節(jié)器連接調制器電路的輸入端。光伏列陣的MPPT控制模型采用DC-DC電路 來實現太陽能電池陣列MPPT控制，它利用PI調節(jié)器來對開關管占空比D進行控制，設置合 理的PI控制參數，光伏陣列端電壓采樣信號與電壓基準值比較，誤差經過PI調節(jié)器后，得 到調制信號，此信號即為DC-DC電路開關管占空比，載波信號幅值設為0?1，規(guī)定調制信號 大于或等于載波信號時，開關管導通，反之則關閉，這樣就保證了調制信號幅值就是開關管 占空比D值。
[0012] 本發(fā)明搭建的測試平臺，建立了適用于35kV及以下電壓等級的裝置測試的測試 仿真模型。
[0013] 本發(fā)明的有益效果是：光伏并網系統(tǒng)利用RTDS/RSCAD建模并仿真，采用V/Q控制 模型實現光伏并網控制，不需要采用鎖相控制技術，簡化了控制系統(tǒng)設計，能準確實現功率 因數可調，控制效果好。通過對光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置閉環(huán)各項測試，進一步驗證了 算法的實用性和裝置的可靠性，實驗結論與理論判據一致。實驗證明，利用RTDS所建立的 光伏并網模型是可以應用于工程實際的，能夠滿足光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置試驗的要 求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1為測試平臺構建示意圖；
[0015] 圖2為測試仿真模型示意圖；
[0016] 圖3為光伏陣列MPPT控制模型控制框圖；
[0017] 圖4為V/Q控制模型電路框圖。
【具體實施方式】
[0018] 本發(fā)明的【具體實施方式】如圖所示。
[0019] 本實施例通過建立測試平臺，搭建測試系統(tǒng)仿真模型來實現對光伏并網系統(tǒng)仿孤 島保護裝置的測試。
[0020] 利用該測試平臺，參數設置簡單明了，適用于35kV及以下電壓等級的光伏并網系 統(tǒng)測試。本次測試過程中，模型以某光伏電站為依托，將需要測試的仿孤島保護裝置串入測 試平臺中，形成一個模擬的仿真系統(tǒng)，對裝置進行離線的實時仿真測試。
[0021] 光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺由試驗模型工作站、RTDS仿真器、功率放 大器、光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置及故障錄波器連接構成。試驗模型工作站通過以太網 與RTDS仿真器相連接，RTDS輸出的數字信號連接到功率放大器的輸入端，功率放大器輸出 的二次信號同時連接到光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置及故障錄波器上。RTDS的跳合閘信號 通過GTFPI卡與光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置的跳合閘繼電器以及故障錄波器相連接，光 伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置輸出的開關位置信號與RTDS仿真器相連接。
[0022] 所述功率放大器輸出的二次信號包括電壓信號及電流信號，經過功率放大器放大 后的電壓和電流模擬量信號連接到光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置及故障錄波裝置的采樣 端子上。
[0023] 測試過程中，為檢驗光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置功能的準確性共設置以下幾個 短路點：圖中K1?K5表示故障點，K1為110kV線路遠端故障，K2為110kV線路近端故障， K3為升壓變低壓側（35kV)故障，K4為35kV線路遠端故障，K5為35kV線路近端故障。
[0024] 為了提高太陽能利用效率，在STC下，應使太陽能電池陣列盡量工作在MPP處，因 而要進一步對光伏陣列進行MPPT控制。由于本光伏并網系統(tǒng)是在STC下進行仿真，采用恒 定電壓法來跟蹤光伏陣列MPP，既簡單又實用。其MPPT控制框圖如圖3所示。其中山"為 光伏陣列端電壓值；為光伏陣列端電壓給定值。
[0025] 本實施例采用DC-DC電路來實現太陽能電池陣列MPPT控制，它利用PI調節(jié)器來 對開關管占空比D進行控制，設置合理的PI控制參數，光伏陣列端電壓采樣信號與電壓基 準值比較，誤差經過PI調節(jié)器后，得到調制信號，此信號即為DC-DC電路開關管占空比，載 波信號幅值設為〇?1，規(guī)定調制信號大于或等于載波信號時，開關管導通，反之則關閉，這 樣就保證了調制信號幅值就是開關管占空比D值。測試仿真模型中所用的載波發(fā)生器及比 較器均采用RSCAD提供的小步長模型。PI調節(jié)能夠實現外電路等效電阻的自動尋優(yōu)，最終 使光伏陣列端電壓穩(wěn)定在給定值附近。若在光伏陣列功率突變的要求下，可以改變參考電 壓值，實現功率調整，此方法調節(jié)非常方便，在STC下，恒定電壓跟蹤法應用非常方便。
[0026] 本實施例專門設計采用V/Q控制模型，應用正弦脈沖寬度調制（SPWM)原理很好 地實現了網側功率因數的控制，并保證了并網波形質量。最大的優(yōu)點是消去了鎖相控制技 術，大大簡化了控制系統(tǒng)。V/Q控制框圖如下圖4所示。其中：V為直流母線電壓；V Mf為直 流母線電壓給定值；Q為向電網輸送的無功；QMf為無功給定值;Angle為正弦調制波相位 (rad) ;Mag為正弦調制波幅值；載波頻率為3kHz，幅值范圍為1，雙極性調制。SPWM調制波 頻率采用電網頻率f，保證了并網波形與電網同頻的要求。
[0027] 模型中的光伏電站等值成5個相同容量的光伏發(fā)電模型。每個光伏陣列串聯模塊 數Ns = 200,并聯的模塊數NP = 100,每個模塊中電池個數N。= 36。在STC下，單個模塊的 開路電壓值為V。。= 21. 7V，光伏發(fā)電的理論計算MPPT處輸出直流電壓約為3. 4kV，此值作 為PI調節(jié)器的參考電壓值VMf。每個等值光伏陣列在STC下的最大功率約為1MW。電網通 過接口變壓器與LC濾波電路相連，其中濾波電容器為Λ連接方式，接口變壓器型號為Ydll 型。
[0028] 圖2中所示的光伏電池模塊，均采用本發(fā)明圖3中的V/Q控制模型搭建，共采用了 5組光伏電池模型。該控制模型中DC-DC電路PI調節(jié)器參數設定為：比例系數K p = 0. 5 ; 積分系數I = 10。DC-AC電路中比例系數Κρ = 0. 2 ;積分系數& = 10。
[0029] 通過上述理論在RTDS中搭建的光伏并網實驗系統(tǒng)模型，在孤島防護裝置閉環(huán)實 驗中，被試裝置在光伏并網的環(huán)境下可靠運行，裝置動作行為與理論判據一致，同時也驗證 了 RTDS上所建立的光伏并網仿真模型能夠適用于光伏并網裝置試驗。
[0030] 光伏并網系統(tǒng)利用RTDS/RSCAD建模并仿真，采用V/Q控制模型實現光伏并網控 制，不需要采用鎖相控制技術，簡化了控制系統(tǒng)設計，能準確實現功率因數可調，控制效果 好。通過孤島防護裝置閉環(huán)各項實驗驗證，實驗結果與設計思路一致，驗證了算法的實用性 和裝置的可靠性，實驗結論與理論判據一致。因此，利用RTDS所建立的光伏并網模型是可 以應用于工程實際的。
【權利要求】
1. 一種基于RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺，其特征在于所述平臺依 托RTDS仿真器及外部設備，構建測試平臺，搭建測試系統(tǒng)仿真模型，實現對光伏并網系統(tǒng) 的測試；所述測試仿真模型中，特別設計了光伏列陣的MPPT控制模型和V/Q控制模型。
2. 根據權利要求1所述的基于RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺，其特征 在于，所述平臺由試驗模型工作站、RTDS仿真器、功率放大器、光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝 置及故障錄波器連接構成；試驗模型工作站通過以太網與RTDS仿真器相連接，RTDS輸出的 數字信號連接到功率放大器的輸入端，功率放大器輸出的二次信號同時連接到光伏并網系 統(tǒng)仿孤島保護裝置及故障錄波器上；RTDS的跳合閘信號通過GTFPI卡與光伏并網系統(tǒng)仿孤 島保護裝置的跳合閘繼電器以及故障錄波器相連接，光伏并網系統(tǒng)仿孤島保護裝置輸出的 開關位置信號與RTDS仿真器相連接。
3. 根據權利要求1所述的基于RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺，其特 征在于，所述RTDS仿真器內設置了仿真模型，所述仿真模型設置在RTDS仿真器內；仿真模 型包括：DC/DC直流變換、DC/AC直流-交流變換，llOkV線路Ll，35kV線路L2,變壓器T35、 T110, llOkV大電網系統(tǒng)S110,斷路器BRK1?BRK10和光伏系統(tǒng)并網開關BRK1 ;每一路的 光伏電池均連接DC/DC的輸入端，DC/DC的輸出端連接DC/AC的輸入端，DC/AC的輸出端通 過斷路器連接T35變壓器的低壓（380伏）端，T35變壓器的高壓（35kV)端通過斷路器連接 T110變壓器的低壓（35kV)端，T110變壓器的高壓（110kV)端通過斷路器連接110kV大電 網系統(tǒng)S110 ;仿真系統(tǒng)中間DC/AC輸出端的380伏可直接接380伏負載；T35變壓器輸出的 35kV經斷路器也可接35kV的負載。
4. 根據權利要求1所述的基于RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺，其特征 在于，所述平臺光伏并網系統(tǒng)利用RTDS/RSCAD建模并仿真，采用V/Q控制模型實現光伏并 網控制，不需要采用鎖相控制技術，簡化了控制系統(tǒng)設計，能準確實現功率因數可調，控制 效果好；所述V/Q控制模型由載波電路、調制電路和比較器電路構成；所述載波電路和調制 電路分別連接比較器電路的輸入端，所述比較器電路的輸出端連接逆變器的控制端；調制 電路的輸入端的一個端口連接直流母線，從直流母線接入直流電壓信號，另一個端口連接 電網，從電網接入無功信號。
5. 根據權利要求1所述的基于RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺，其特征 在于，所述光伏列陣的MPPT控制模型由調制器電路、載波發(fā)生器電路、比較器電路和DC-DC 電路構成；調制器電路和載波發(fā)生器電路分別接比較器電路的輸入端，比較器電路的輸出 端連接DC-DC電路；光伏陣列端電壓通過PI調節(jié)器連接調制器電路的輸入端；光伏列陣的 MPPT控制模型采用DC-DC電路來實現太陽能電池陣列MPPT控制，它利用PI調節(jié)器來對開 關管占空比D進行控制，設置合理的PI控制參數，光伏陣列端電壓采樣信號與電壓基準值 比較，誤差經過PI調節(jié)器后，得到調制信號，此信號即為DC-DC電路開關管占空比，載波信 號幅值設為〇?1，規(guī)定調制信號大于或等于載波信號時，開關管導通，反之則關閉，這樣就 保證了調制信號幅值就是開關管占空比D值。
6. 根據權利要求1所述的基于RTDS的光伏并網系統(tǒng)防孤島保護裝置測試平臺，其特征 在于，所述測試仿真模型要進一步對光伏陣列進行MPPT控制；光伏并網系統(tǒng)是在STC下進 行仿真，采用恒定電壓法來跟蹤光伏陣列MPP ;測試仿真模型中所用的載波發(fā)生器及比較 器均采用RSCAD提供的小步長模型；PI調節(jié)能夠實現外電路等效電阻的自動尋優(yōu)，使光伏 陣列端電壓穩(wěn)定在給定值附近。
【文檔編號】G01R31/00GK104111394SQ201410340436
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年7月17日 優(yōu)先權日:2014年7月17日
【發(fā)明者】周寧, 趙勇, 楊佳, 付磊, 程正, 蘇永春, 陳波 申請人:國家電網公司, 國網江西省電力科學研究院