基于Typhoon HIL储能系统仿真测试解决方案

概述

大力发展新能源是我国实现低碳目标的重要途径储能系统与新能源场站配合应用可以降低新能源波动性、间歇性影响，提高新能源消纳能力，成为支撑大规模新能源高效并网的技术手段。储能的投入相当于在电网中增加了一个柔性的、功率快速可控的环节，通过对电能的适当存储和释放，平滑间歇性电源出力，达到削峰填谷、调节电能质量的目的。新能源与储能联合应用后增强了新能源的可控性，减少了由于新能源预测误差而设置的备用容量，减少弃风、弃光损失，提高新能源利用率。

新能源的规模化发展应用以及现代电力负荷中出现了越来越多的高灵敏度负荷，对储能系统提出了越来越多和越来越高的技术要求，如参与电网调峰、调频、调压，改善电能质量，提高对可再生能源的接纳能力；作为备用电源，为电网提供一种新型的黑启动方式；为高灵敏度负荷提供系统有功和无功功率调节，削弱电压波动与闪变、谐波等多种电压质量问题。储能系统诸多控制功能的实现和验证，变得越来越困难，甚至难以在实际中开展测试验证。因此，硬件在环仿真系统，在储能装置以及储能系统控制功能的开发和验证起到重要作用越来越凸显。借助于高精度实时硬件在环仿真系统，开展储能电站的多功能控制策略研究、容量配置优化、能量管理控制以及市场机制，可充分验证储能装置以及储能电站的控制功能、深度挖掘储能电站的电网支撑能力，为电网的稳定运行开拓新的策略、方法。

系统组成

针对储能单机以及兆瓦级储能电站/集群高精度实时硬件在环仿真，汉象可提供包括系统建模、硬件在环平台搭建以及自动化测试一站式解决方案。

储能单机

得益于Typhoon HIL强大的仿真能力，单台Typhoon HIL仿真器既可以出色的完成公用电网电池储能单元控制器在环的功能测试和自动化测试，其仿真测试方案示意图如图1所示。可借助Typhoon HIL强大的仿真功能，建立储能单机接入的配电网模型，预验证储能单机的控制策略以及控制性能。

图1 储能单机HIL仿真系统示意图

Typhoon HIL能提供友好的储能单元电力电子设备FPGA级高精度仿真建模图形化开发界面，具备铅酸储能电池、锂离子储能电池、镍镉储能电池及金属氢化物镍储能电池等丰富的储能电池模型，并且支持用户自定义储能电池模型，满足用户多样化储能电池的建模需求。

图2   多种储能电池模型

设置好储能电池参数，实时仿真软件还可方便地查看储能系统的电池特性曲线，可以很直观地协助进行储能电池电力电子设备级开发。

图3 储能电池特性曲线示意图

在储能单机电力电子设备级核心部件储能逆变器方面，Typhoon HIL的软件开发环境集成了多种高精度逆变器模型如两电平逆变器、NPC三电平、T型三电平、ANPC三电平以及Boost、DC-DC等辅助升压电路模型，可以方便快速地实现，储能系统电力电子设备级高精度仿真建模及储能控制器并网测试。

储能场站

图4是以典型2MW级储能电站含能量管理控制器的硬件在环实时仿真系统实现方案示意图。该储能电站共包括8个储能单元，每个储能单元的额定容量为250kW，每两个储能单元组成一组通过升压变并网到PCC点。该硬件在环实时仿真系统配置了使用2套HIL606高精度FPGA实时仿真器，最小仿真步长200ns，可接入不少于8套储能控制器，可满足兆瓦储能电站HIL仿真测试需求。

图4 储能电站HIL仿真系统示意图

储能集群

图5为储能集群HIL仿真测试解决方案，该方案配置3台HIL606高精度FPGA实时仿真器。在开展储能集群半实物仿真测试时，重点将主要是考虑储能场站级的相互协作。在搭建储能电站HIL仿真时，可考虑只接入部分实际的储能控制器，而其他部分实际控制器以具备同等控制功能的数字控制器（即将实际控制器控制代码以黑盒的方式导入到实时仿真系统中使用）替代。如此在具备储能电站高精度实时仿真的同时，既可以节省实时仿真器的I/O资源，又无需一比一的接入过多储能实际控制器，实现容易、灵活，且兼顾了半实物实时仿真系统的可靠性。基于该方案可实现含3个兆瓦级储能电站的储能集群的高精度半实物实时仿真测试系统。

图5 储能集群实时仿真系统示意图

系统功能

配置的HIL606高精度FPGA实时仿真器，使得储能电站实时硬件在环仿真系统具备多种常用的工业通讯功能，满足储能电站以及储能集群能量管理控制器多样化通讯需求。配置的储能电站实时仿真系统可支持的通讯协议包括C37.118协议，Modbus协议，EtherCAT协议，IEC61850(SV，MMS，GOOSE)协议，IEC60870协议，Ethernet Variable Exchange协议，CAN通信(CAN Open,CAN_FD,J1939)协议，DNP3协议，OPC协议，PROFINET协议，SPI协议以及Aurora协议等通讯协议。

与此同时，HIL606实时仿真软件自带的TyphoonTest IDE组件提供Python脚本图形化编程、集成了丰富的测试和分析结果API、可记录详细的测试日志和结果、生成具备国际标准的测试报告，可轻松完成储能单元、储能电站或者储能集群功能和性能的全方面全自动化测试。

图6 基于Python脚本全自动测试平台

针对储能单机测试方面，配置的储能电站/集群高精度实时硬件在环仿真系统可以实现储能单机控制功能的全方面测试，包括：

（1）储能单元稳态功能测试

                1）储能单元并网稳态功能测试，频率支撑功能、功率调控功能以及响应时间等；

                2）储能单元控制器不同SOC状态下的，不同工况下，充放电效率测试；

                3）储能单元控制器电网适应能力测试；

                4）不同功率、以及非标称电压储能单元控制器硬件在环阻抗扫描。

（2）储能控制器暂态功能测试

               1）储能单元控制器低电压穿越测试；

               2）储能单元控制器高电压穿越测试；

               3）储能单元控制器高-低电压连续穿越测试。

针对储能电站测试方面，配置的储能电站/集群高精度实时硬件在环仿真系统可以实现储能电站控制功能、各个储能电站能量管理控制策略以及通讯功能的全方面测试，包括：

               1）储能电站稳态性能测试；

               2）储能电站动态性能（功率反向及功率阶跃）测试；

               3）储能电站低电压穿越测试；

               4）储能电站高电压穿越测试；

               5）储能电站高-低电压连续穿越测试；

               6）储能电站效率测试；

               7）不同功率下储能电站在环阻抗扫描；

               8）储能电站能量管理控制策略功能测试；

               9）储能电站储能单元容量优化配置研究，包括跟网型以及构网型配比研究。

另外，基于储能集群实时仿真测试平台，可以开展多储能电站的协调控制策略分析与验证以及跟网型与构网型储能容量配比，对储能系统的功能以及性能的影响分析。基于该实时仿真平台，可实现储能电站/集群多维度的功能验证与测试，包括：

              1）储能集群运行稳定性；

              2）储能集群故障诊断与分析；

              3）储能集群中各个储能电站容量规划与优化分析；

              4）储能集群中各个储能电站交互性与通信测试；

              5）多储能电站协调控制策略分析与检测验证；

              6）跟网型与构网型储能容量配比，对储能集群的功能以及性能的影响分析。

系统配置

储能单机

实时仿真软件：Typhoon HIL Control Center实时仿真软件，包含电力系统建模仿真包，电力电子工具包，电机工具包，微电网工具包，通讯工具包以及控制系统建模工具包等以及全自动化测试组件功能。

实时仿真硬件：Typhoon HIL606高精度实时仿真器1套，每套实时仿真器包括8核FPGA实时仿真计算核，3个ARM处理核，具备32路模拟量输入、64路模拟量输出、64路数字量输出以及64路数字量输入。

储能场站及储能集群

实时仿真软件：Typhoon HIL Control Center实时仿真软件，包含电力系统建模仿真包，电力电子工具包，电机工具包，微电网工具包，通讯工具包以及控制系统建模工具包等以及全自动化测试组件功能。

实时仿真硬件：Typhoon HIL606高精度实时仿真器2~3套，每套实时仿真器包括8核FPGA实时仿真计算核，3个ARM处理核，具备32路模拟量输入、64路模拟量输出、64路数字量输出以及64路数字量输入。

表1 HIL606实时仿器I/O规格