1.项目背景
微电网作为发挥分布式电源能效的一种有效方式，近年来引起了社会和学术界的广泛关注。协调控制技术是实现微电网安全稳定运行的关键问题，实验平台作为各种控制策略验证的有效手段。目前，欧盟、美国、日本等国家从自身的国情出发，依据不同的发展目的，建立了一批微电网实验室和示范工程。目前，我国一些技术领先的高校和科研单位也相继建成了一批实验室和示范工程。
国内外建成的实验室一方面针对微电网某种控制模式研究;另一方面对控制策略建模仿真与物理平台有效衔接有待进一步深入研究。实验平台需要能够对微电网多种控制模式，每种控制模式下的多种运行状态进行模拟，以便对分布式电源与微电网的控制策略、系统运行模式及运行性能进行研究、测试和评估。
目前，研究微电网控制理论建模仿真技术大都采用Matlab/Simulink和PSCAD/EMTDC等离线仿真水平，其仿真结果与物理系统的实际特性存在一定差距，有待提出一种数字物理相结合的数模混合仿真技术对控制策略加以验证。目前，分布式发电与微电网技术领域的数模混合仿真主要分为快速控制原型(Rapid Control Prototype, RCP)仿真和硬件在环(Hardware in the Loop, HiL)仿真两种形式。
本文提出一种基于NI-PXI(PCI Extensions for Instrumentation，PXI，面向仪器系统的PCI扩展)的微电网数字物理混合仿真平台设计方案。该平台可兼容微电网主从控制、对等控制以及分层控制三种控制模式数模仿真实验，同时可开展微电网联网运行、孤岛运行、联网/孤岛之间无缝切换以及黑启动多种运行模式数模仿真实验。为验证实验平台设计的合理性，本文最后开展了多控制模式下微电网多运行模式实验，实验结果验证设计方案的科学有效性。
2.实验系统结构
本文提出的实验系统原理图如下图所示，系统为三相，电压380 V，频率50 Hz。由光伏发电系统、风力发电系统、微型燃气轮机系统、锂电池储能系统、负荷模拟系统以及实时仿真平台构成。
实验平台结构
3.数模仿真平台的设计
基于NI VeriStand实时建模仿真
NI-PXI作为面向仪器系统的PCI扩展，是一种由美国国家仪器公司NI生产发布的基于PC技术的测量和自动化平台。NI-PXI平台支持实时(Real-time，RT)操作系统，可作为实时仿真平台目标机。NI VeriStand是一种配置实时仿真应用程序的软件环境，能够从Matlab/Simulink环境中导入控制算法和仿真模型。基于NI VeriStand的数模物理混合仿真建模流程如下图所示。
基于NI VeriStand实时建模仿真流程
平台结构设计
本文提出的储能系统数模仿真平台结构如下图所示。
储能系统数模仿真平台结构
4.实验平台运行控制
主从控制模式
联网/孤岛之间无缝切换是微电网主从控制模式中的难点和关键点之一，本文依托数模混合仿真平台对其控制策略开展研究。1#储能系统作为系统组网单元，2#储能系统退出运行，平台形成风、光、燃、储微电网。联网/孤岛之间的无缝切换主要涉及到大电网状态快速准确识别、储能系统P/Q与V/f双模式平滑切换、微电网与大电网平稳同期并网等关键步骤，具体控制流程如下图所示。
联网/孤岛切换控制流程
对等控制模式
多电压源型储能系统组网的微电网黑启动是对等控制模式中难点和关键点之一，现以两台储能系统组网为例介绍黑启动控制策略。1#储能系统以V/f模式启动，为部分负荷供电;系统稳定后1#储能系统由V/f模式切换到下垂模式。2#储能系统以自同步模式启动并完成并网，2#储能系统由自同步模式切换到下垂模式，投入系统其余负荷，即完成系统黑启动，具体控制流程如下图所示。
黑启动控制流程
分层控制模式
针对微电网分层控制模式，通过二级电压和频率控制是改善微电网供电质量的有效手段，也是微电网分层控制模式的难点和关键点之一，在此以频率二级控制为例介绍其控制策略。
频率二级控制原理与框图
5.实验验证
为进一步验证本文提出实验平台及运行控制的合理有效性，在国家能源大型风电并网系统研发(实验)中心完成平台搭建，各单元的额定装机容量如表1所示。
表1 设备额定容量
主从模式联网/孤岛切换实验
实验平台初始状态联网运行，模拟电网故障，系统由联网状态切换到孤岛状态，然后模拟电网恢复正常，系统由孤岛状态切换到联网状态，实验结果如下图所示。
联网/孤岛切换实验结果
对等模式功率分配实验
将图1中PCC点开关断开，实验平台构成独立型微电网。开展两台储能系统组网的对等控制实验，两台储能系统运行参数如表2所示。
表2 储能系统运行参数
在实验过程中，系统的无功负荷为0 kvar保持不变，有功负荷从7.5 kW突变到15 kW。实验结果如下图所示。
对等控制实验结果
分层模式二级频率控制实验
实验过程中，系统的有功负荷为15 kW，无功负荷为9 kvar保持不变，两储能系统P-f下垂特性曲线的空载频率由50 Hz突变到50.2 Hz。实验结果如下图所示。
频率二级控制实验结果
6.结论
1) 本文提出了一种基于NI-PXI的微电网数模混合仿真实验平台设计方案，物理结构采用分层设计，实现了上层数字模型与底层物理模型无缝对接;底层归一化控制模型与上层并行控制模型设计，为微电网多控制模式及多运行模式实证性研究提供了开放的平台。
2) 本文依托国家能源大型风电并网系统研发(实验)中心的微电网数模混合仿真平台，根据本文提出各控制模式下典型控制策略，利用高效的NI VeriStand实时建模方法，开展微电网各控制模式的数模混合仿真实验，实验结果验证了控制策略的有效性及实验平台的科学性。
原标题：基于NI-PXI微电网多模式数模混合仿真平台的设计与实现
