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實時動态控制能力的微網測試平台方案探讨 [2014/12/9]

  在智能電網的研究項目中,實時地調配各種不同來源的電力供應,滿足當前微網的耗能需求是關鍵的研究課題之一。而作為研究的一種重要手段,就是在實驗室裡搭建一整套完整的模拟系統,包括風能、太陽能、儲能電池、電動
  在智能電網的研究項目中,實時地調配各種不同來源的電力供應,滿足當前微網的耗能需求是關鍵的研究課題之一。而作為研究的一種重要手段,就是在實驗室裡搭建一整套完整的模拟系統,包括風能、太陽能、儲能電池、電動汽車(充電樁)、功率馬達設備、液位計設備、液位變送器常規負載(如家電産品)等各種模拟器甚至真實設施,通過受控的電網模拟器全部連接在一起,研究各種供電來源與用電負載在各種情形下的表現。

  對于這樣一整套測試平台,電網模拟器作為所有其他設備的核心聯結設備,通過調整其輸出可以輕松模拟真實電網上各種偶發或者具有危害性的事件,觀察、評判挂載的各種設備的應對行為以便進行相應的改進。這就要求電網模拟器具有強大的電壓、頻率調節控制能力,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。特别是随着研究的深入,對于控制模拟電網輸出的實時性要求越來越高,波形變化日趨複雜,要求實現所謂硬件在環(Hardware-in-the-loop)的模拟,這對于作為普通交流源的電網模拟器産品的控制能力的要求也越來越嚴苛。

  常規的控制方式是面闆操作或者通過GPIB/RS232/USB/Ethernet等通信接口發送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複雜波形的要求。實時性比較好的控制方式是利用外部的模拟量信号來直接控制電網模拟器的輸出,此時電網模拟器的工作狀态就相當于一台線性放大器,直接将外部的模拟量信号等比例放大,并提供相應的輸出功率支持。

  至于外部控制信号的來源,尤其是其會需要提供各種複雜狀況的模拟能力,目前也已經有成熟的商業化工具,即實時數字仿真系統(Real Time Digital Simulation, RTDS)。RTDS是一種功能強大的工具,由硬件和軟件組合而成。其内建有廣泛的電力系統元件模塊數據庫,用戶可以在圖形化軟件界面中利用現有的元件模塊組建起電力系統的回路,設定相應的研究序列。RTDS能夠連續地産生輸出來真實地代表實際網絡中的情況,模拟許多惡劣的但很現實的情況,提供大量的數字量和模拟量的輸入輸出接口,可以直接連到外部設備設備上去。

  我們使用CI旗下的RS系列高功率交流源來作為配套RTDS的電網模拟器,該款産品可提供90KVA至1MVA的功率輸出,支持100%标稱功率的能量雙向流動,穩定輸出主頻範圍為16Hz至820Hz,同樣還支持直流輸出。目前其提供的外部模拟量控制接口支持0至7Vac輸入電壓對應0至滿量程輸出電壓,并且支持三相分别獨立受控于各自的模拟量輸入。

  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性能。

  系統測試配置方案如下。

  需要注意,CI RS電源本身是一台開關模式的電源,其調控輸出變化的能力是有固有上限的,在常規操作時電源本身的控制器會對控制信号進行辨别,可以主動拒絕超限操作的執行,例如我們無法給電源設置一個超出其允許範圍的頻率或者電壓值。而當我們使用外部模拟量信号控制時,為了達到較好的實時性,外部信号是直接控制CI RS電源的功率模塊,不需事先經過其控制器的研判。因此硬件設計上要考慮到輸入信号超限、或者被疊加了較多幹擾信号的情況,不能因此造成電源的損傷。

  CI RS電源在外部模拟量信号的輸入處特意加裝了一個濾波器,藉此濾除高頻雜波幹擾,另外對于控制信号超出電源本身能力的情況也采取了相應的保護應對措施。

  系統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号來提供輸出。以下分别是控制信号為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号,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電源接受外部模拟量控制時的延時到底是多少。從實測的結果來看,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漸變關斷以及直接關斷的情況。

  (4)60Hz正弦波從230V 90度角時以1ms漸變關斷。

  (5)800Hz輸出的情況。目前CI RS接受外部電容式液位計電容式液位變送器模拟量控制的信号頻率上限為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。以下是用外部模拟量控制230V 800Hz時的輸出表現。

  (6)60Hz 230V三角波的情況。  (7)高頻保護的表現。當CI RS受外部模拟量控制要求輸出超上限頻率時,RS大約在150ms後自動關斷輸出。  (8)230V 60Hz正弦波上疊加400Hz 85V峰峰值的紋波噪聲後的表現。  (9)215V低上升斜率方波(上升時間約為2毫秒)的表現。表現良好。

  (10)215V高上升斜率方波(上升時間約為30微秒)的表現。右圖為放大後的細節圖。可以看出當外部控制信号要求CI RS的電壓變化速率超出其能力時,CI RS的輸出會出現振鈴的情況。

  (11)帶載情況下的模拟。由于CI RS本身是作為電壓源,其主要調控輸出電壓,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拟量控制無關。已經有衆多的實際應用證明了CI RS在使用自身控制器時輸出各種電壓波形下的優異電流表現。以下是韓國某研究院使用CI RS接受RTDS控制信号進行接地故障模拟的波形圖,帶載為30KW+10KVA。

  其中黃色軌迹為A相電壓,紫色軌迹為B相電壓,綠色軌迹為A相電流,藍色軌迹為RTDS控制A相電壓的信号。

  綜合以上驗證測試結果,100微秒的延時也是屬于可接受的範圍,這樣我們就擁有了一個真實地可以提供從90KVA到1MVA功率範圍的模拟電網平台,配合RTDS系統可以實現對各種複雜電力環境的模拟, 連接各種新能源發電設備、用電載荷、儲能設備等,就可以在實驗室裡建立起一整套完整的微電網模拟測試平台,滿足科學研究及實際驗證的需要。
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