基于IEC 61499標準的分布式配網光伏逆變器層級控制與聯合仿真實現

許泰峰，王彥波，孫一鳴，張燁華

(1.易源士創信息科技(南京)有限公司，南京 210000；2.國網浙江省電力有限公司信息通信分公司，杭州 310020)

0 引言

海量分布式新能源將在環保政策推進下將不斷并入配電網中參與電力系統運行，以新能源為主體的新型電力系統也逐漸成形[1-3]。低壓配電網一般呈輻射型拓撲結構，潮流方向由供電側指向用電側，在大量分布式光伏與終端負荷節點接入配網后，潮流呈現雙向甚至更為復雜的流動趨勢，由于光伏逆變器在不同光照條件下運行模式會發生改變，受此影響，多種因素交疊下電壓越限問題愈發成為制約低壓配網供電穩定性的主要風險。而分布式光伏將逐步規?；穆涞卦诮K端用戶側并接入配網運行，分布式與數量級兩個主要特點決定了傳統主站子站的協調控制模式無法滿足分布式光伏電壓控制模式的實際需求[4-6]；從電壓頻率調節、潮流控制、成本控制等角度，光伏逆變器十分需要層級控制等方法實現安全掛網運行[7]，必然導致大量上電氣量數據源源不斷產生，傳統逆變器控制架構或平臺均無法滿足龐大電氣量數據的接入與使用。IEC 61499標準[8]基于其前身IEC 61131-3擴展制定，是一種適用于分布式工業控制系統領域的建模標準，廣泛應用于制造工廠與電機控制等領域。光伏逆變器常規下使用下垂控制方法計算控制量并傳遞至電壓電流雙環控制環節，進而通過SPWM調制波形式對逆變器閥進行底層控制。有必要將光伏層級控制過程與IEC 61499標準分布式平臺等技術手段有機結合，IEC 61499標準功能塊平臺能有效解決現存分布式控制模式陳舊與數據接入處理難的問題[9]，有利于光伏不斷涌入下的低壓配網終端保證供電安全。

在光伏逆變器控制相關領域有大量的文獻，但與功能塊平臺結合達成具體應用方面數量較少。文獻[10-12]首先提出并詳細闡釋了適用于微網的層次控制模型及其各層次任務劃分與功能，文獻[13]進一步總結歸納了分布式能源分層控制的體系結構泛化定義與廣闊應用范疇。文獻[14]結合下垂控制理論從調壓調頻率關系角度認為分層控制對于系統電壓與頻率添加了多個控制路徑，并細化了電壓與頻率的運行點以至達到更好的控制效果。文獻[15]提出了在線計算一次電壓控制器參考輸入電壓的逆變器分層控制算法。因IEC 61499標準本身就具有分布式控制的鮮明特點，文獻[16-17]提出使用功能塊構建層級形控制結構并闡述了多個IEC 61499標準能夠完成的層級式構建模型，為功能塊層級控制應用提供了具體范式。文獻[18]利用IEC 61499功能塊平臺實現了智能電力設備內下垂控制使能與相應電氣數據傳遞的功能，但內部控制過程并未完整地通過功能塊達成實現，限制了控制模式的數據接口，也無法容納更大數量級的分布式能源進行靈活分布式控制算法部署。

1 原理方法

1.1 光伏逆變器下垂控制

1.1.1 逆變器數學模型

如圖1所示為三相全橋電壓源型逆變器拓撲結構與下垂控制主要環節[19-22]，VT1-6組成光伏逆變器電路結構，VDC為等效直流電源電壓，引入電感Lf與電容Cf構成濾波電路，Rf作為小電阻串聯至電容處防止濾波器振蕩；iLa、iLb、iLc為濾波器輸出電感電流；uoa、uob、uoc為逆變器輸出電容電壓即輸出點電壓；ioa、iob、ioc為逆變器輸出到電網側的輸出電流。

圖1 光伏逆變器電路與下垂控制主要環節示意圖

經過Park變換為dq旋轉坐標系下的狀態方程列寫如式(1)所示。

(1)

式中：iLd、iLq分別為濾波器dq軸輸出電感電流；uod、uoq分別為逆變器輸出的dq軸電容電壓即輸出點電壓；iod、ioq分別為逆變器輸出到電網側的dq軸輸出電流；s為微分算子。

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1.1.2 下垂控制原理

如圖1所示為逆變器下垂控制結構框圖，其主要過程是將實時電壓電流轉變為dq軸電壓電流并計算實時功率，代入下垂控制曲線得出基于下垂控制特性的目標控制量，對于逆變器輸出有功條件0≤P≤Pmax，無功條件-Qmax≤Q≤Qmax，下垂控制曲線的斜率由下垂系數確定，下垂系數計算公式如式(2)，下垂系數計算得出為U與f，并向dq旋轉坐標系轉換得出dq軸電壓參考量，后輸入電壓電流雙環控制過程，通過SPWM調制信號控制逆變器的出口電壓。

(2)

式中：m、n為下垂系數；Pmax為逆變器最大輸出有功功率；Qmax為逆變器最大輸出有功功率；Umax、Umin分別為逆變器最大與最小電壓。

1.2 IEC 61499標準

理想的分布式控制系統應具備以下功能特點來幫助使用者跨越分布式控制、分布式計算與通信連接等復雜技術細節產生的鴻溝：支持多平臺使用、互操作性、支持并行計算、便捷的網絡組態、數據格式的標準化等等。如圖2所示，IEC 61499標準[8]基于IEC 61131-3標準中PLC功能塊部分重新組織與構建，使用事件與數據流(event and data flow)抽象化分布式控制系統運行中的數據交換類型并對其建模，并基于高內聚、低耦合的設計思路使用功能塊封裝控制邏輯甚至是通信功能等，只需事件與數據接口一致，功能塊(function block，FB)便可在多個場景、多個領域進行復用，實現了控制邏輯的可移植性。標準基于跨平臺的特性并支持多種通信協議使不同系統、架構、性能的設備與IEC 61499平臺建立網絡通信，且以圖形化編程幫助使用者從多線程應用中繁瑣的線程調度與線程鎖機制里解放，無需關注實現細節即可達成并行計算等復雜功能。

圖2 IEC 61499分布式應用軟件模型示意圖

IEC 61499是以功能塊作為實現形式的分布式實時控制系統框架，基礎功能塊(basic function block，BFB)與服務接口功能塊(service interface function block，SIFB)是構建應用的基礎單元，它們可通過相互連接組成更為復雜的復合功能塊(composite function block，CFB)，在定義多層的分布式系統結構時，CFB也可能封裝了多個CFB與BFB組成的FB網絡而形成層級式的嵌套系統。使用FB技術將控制算法邏輯變得開放可編程且能方便地重新組態配置，兼容IEC 61499的設備之間可直接交互并無縫實現跨設備跨任務的分布式部署。IEC 61499內部以控制執行圖(execution control chart，ECC)其實質為狀態機(state machine)形式定義功能塊對于輸入事件與數據變化做出的反應。

2 層級控制與聯合仿真

2.1 層級控制

2.1.1 分布式能源層級控制概念

適用于風機與光伏等分布式能源機組與逆變器等電力電子元件所組成微電網場景的層級控制參考了ISA-95(instrumentation, systems, and automation society)標準中的對象模型概念，劃分成頂層、次級與底層的三級控制結構，各自功能為頂層控制微網與外部電網間的功率交換；次級控制補償了底層控制過程產生的頻率與電壓幅值偏差，起到同步與恢復補償的作用；底層控制常用下垂控制或加入虛擬阻抗的改進下垂控制方法對微網系統實現控制過程。微網系統中僅使用下垂控制的單一控制模式存在多種問題：1)并未考慮非線性負載產生的諧波電流；2)不同的負荷類型引起頻率偏差和相位不一致；3)逆變器間的功率分配受系統輸出阻抗與線路阻抗的影響。而采用層級控制在單一下垂控制基礎上嵌套控制環節解決上述問題。

如圖3所示，底層控制使用下垂控制方法，次級控制實際補償底層控制產生的電壓與頻率偏差，底層控制在PCC(point of common coupling)位置采集計算得到有功功率和無功功率通過下垂曲線計算后向電流電壓雙環控制環節傳遞電壓控制信號，次級控制與底層控制間聯系的建立是通過對下垂曲線中參考頻率fref和參考電壓Uref信號建立PI控制過程的方式，如式(3)為頻率與電壓控制信號δf與δU，實現對PCC電壓的跟蹤和補償功能。

圖3 分布式能源層級控制方式示意圖

(3)

頂層控制能夠對并網模式下的微電網進行潮流控制，次級控制與底層控制間聯系的建立是通過采集計算微網與外部電網連接處有功無功潮流對次級PI控制中參考頻率f*和參考電壓U*信號建立PI控制過程的方式，如式(4)所示。

(4)

2.1.2 IEC 61499標準與層級控制

在分布式控制平臺對分布式能源應用層級控制，作為分布式能源逆變器控制模式與IEC 61499標準十分契合，體現為以下幾點。

分布式能源逆變器控制方法應用于IEC 61499平臺具有可行性，功能塊設計概念具有靈活性，可通過多樣組合滿足多種算法流程的實現，包括迭代、循環、嵌套、并行等，同時事件數據流能夠明確時序控制與數據傳遞，層級控制中的大量算法可得到有效實現。

層級控制概念本身層次清晰，層級間接口定義明確，基于IEC 61499中功能塊間實現邏輯與事件數據流數據傳輸方式，可從數據傳輸與時序角度清晰描述或達成不同層次控制間的連接關系。

IEC 61499標準基于其分布式平臺的特點具有以下優勢：幫助逆變器控制算法的模塊化與標準化，便捷地模塊復用與模塊替換使層級控制過程自由調整替換并提升重配置性；海量分布式能源運行后可經由標準支持的大量網絡協議靈活接入/剝離控制過程，為臺區間、地區間或更廣域間電力設備間分布式控制算法的實現提供平臺，與此相對傳統主站子站模式無法滿足分布式控制的需要；IEC 61499標準可配置于廣泛的軟硬件平臺，其通用性為大量分布式能源交互控制實踐提供條件。

2.2 聯合仿真實現

基于IEC 61499標準的功能塊平臺構建控制器應用缺乏仿真平臺幫助調整控制算法并驗證控制效果的有效性，同時Simulink是常用的動態控制系統仿真工具，但其大量算法封閉、黑盒且難以進行實際部署。而在功能塊平臺與Simulink間建立通信橋梁并實現聯合仿真，兩者深度融合能夠彌補功能塊應用缺少仿真環境的劣勢并為Simulink提供算法轉移并實際部署的有效渠道，結合兩者優勢并利用豐富的控制環節功能與數據交互可能性可為更多電力領域應用提供空間。

2.2.1 Simulink 聯合仿真

Simulink作為多領域應用仿真軟件在電力電子仿真中具有快速部署、模型通用等優點，但作為商用軟件其模型模塊與數據均被封裝無法直接使用，則由Simulink搭建光伏逆變器仿真環境，通過通信手段將Simulink仿真的電氣量傳遞至IEC 61499功能塊平臺，基于功能塊快速部署與數據便捷多平臺傳遞的特點，可實現基于數據通信的控制器與算法外置型聯合仿真，更因Simulink實時仿真數據的導出，可為系列應用解決了基礎數據難以獲取的問題，如圖4所示。

圖4 Simulink聯合仿真通信方式示意圖

而實現方式上，Simulink的模塊庫具有大量的功能性API，其中S-function模塊可以通過m文件或是C/C++語言程序編譯后實現特定自定義功能，而對于Simulink支持通用模型接口(functional mock-up interface, FMI)標準可與支持該標準的其他軟件實現聯合仿真，但大部分IEC 61499功能塊應用平臺并不支持FMI標準[23]。則需通過TCP/IP通信方式將仿真數據實時傳遞，而MATLAB/Simulink實現TCP/IP通信常規經由3種方式：1)通過MATLAB的tcpip基類構建m文件實現通信，但基類通過Java調用實現，難以運行于Simulink環境；2)通過操作系統本身TCP/IP通信的API構建C++文件編譯后實現，但發送與接收數據結構運行于Simulink中易出現內存分配崩潰；3)通過其他網絡庫如ZeroMQ輕量級的消息隊列庫等實現TCP/IP通信。經過驗證比對，選擇使用ZeroMQ網絡庫編譯的S-function模塊來達成聯合仿真中數據通信的功能，并在IEC 61499功能塊平臺搭建相應的服務接口功能塊，如圖5所示。

圖5 TCP/IP通信服務接口功能塊

2.2.2 功能塊實現

由Simulink模塊實現的下垂控制過程轉而經IEC 61499功能塊平臺進行實現。常規可以直接重新編寫相應功能塊實現，也有文獻認為可通過建立Simulink模塊到IEC 61499功能塊映射的方法自動化獲得結果[24]，但后者方法受制于無法準確了解Simulink模塊具體的實現細節，無法驗證映射得到的功能塊與原本功能意圖是否一致，且Simulink仿真中存在仿真步長等數據，而與功能塊間時序搭配也存在困難。

將Simulink中的下垂控制功能進行功能塊化的實現，但因IEC 61499功能塊以事件流與數據流作為通信基礎，其數據傳遞本質是離散化過程，而Simulink可進行連續性變量仿真，如積分微分或傳遞函數等計算環節便無法直接在IEC 61499功能塊平臺實現，需將傳遞函數離散化后對于離散數據進行操作才能達成近似的目的，如表1所示典型的功能塊與模塊間映射關系，均需求對應不同的離散化方法或者替代方法，顯然無法將過于復雜的Simulink模塊如傳遞函數離散化后放入IEC 61499平臺使用。

表1 典型Simulink模型映射至功能塊列表

3 算例

如圖6所示，3臺光伏逆變器容量分別為500 kW、300 kW與200 kW且下垂系數m為0.01、n為0.04，連接同一掛載負荷母線的孤島網絡作為算例。在底層控制范疇內，Simulink模型中將母線電壓與電流測量值通過ZeroMQ通信模塊傳遞至IEC 61499功能塊平臺，在經過功率計算、下垂控制、電壓合成后，計算完畢將結果發回至Simulink通信模塊，Simulink利用返回數據傳遞至電壓電流雙閉環控制過程。

如圖7所示，利用雙閉環控制結果產生參考電壓Vref并轉為PWM調制信號以施加對光伏逆變器的出口電壓控制；在次級控制范疇內，微網控制器部分將PCC電壓傳遞至IEC 61499平臺，并對頻率與電壓基于額定值進行PI控制，將控制量作為參考量輸入下垂控制功能塊，以補償對于底層控制產生的頻率與幅值偏差，該聯合仿真環節暫運用在光伏逆變器1中，整體Simulink構建模型如圖6所示。

圖6 光伏逆變器算例Simulink模型示意圖

圖7 電壓電流雙閉環Simulink模型示意圖

而IEC 61499功能塊平臺側層級控制的應用拓撲如圖8所示。算例中，在時序為第1 s時發生負荷突增，下垂控制即底層控制在第3 s開始生效，次級控制于第5 s生效。

圖8 層級控制功能塊應用示意圖

仿真結果如圖9—10所示，在第1 s時負荷突增發生后，出口端電壓發生驟降，電壓不斷波動通過底層逆變器電壓電流雙閉環控制維持電壓，因控制過程出現靜態誤差較大、穩態振蕩較大等現象；在第3 s下垂控制生效后，端電壓得到有效控制，但仍然存在幅值偏差；在第5 s次級控制引入后，電壓幅值偏差問題得到補償。

圖9 光伏逆變器有功、無功功率變化曲線圖

圖10 出口端PCC電壓變化曲線圖

IEC 61499功能塊平臺與Simulink進行聯合仿真并結合光伏逆變器算例驗證說明。

1)IEC 61499功能塊平臺適用并能夠在配網中光伏逆變器場景作為可擴展性平臺與控制器應用環境，結合功能塊多平臺、輕量級、重配置性強與開放自主可編程等特點，為電力設備層級式控制模式與完全分布式控制的實際部署解決軟硬件與通信障礙。

2)IEC 61499功能塊與Simulink通過ZeroMQ網絡庫建立通信并實現聯合仿真，對功能塊側，能夠有效驗證功能塊應用在仿真環境中作為控制器的控制效果；對Simulink仿真，提供了算法轉移實際應用部署于電力設備上行之有效的渠道。兩者的深度融合也可基于Simulink豐富的自動控制功能擴展電力設備控制環節的應用場景與可能性。

4 結語

基于分布式光伏在配網中滲透率不斷增長尤其是終端光伏大量接入的背景下，層級控制作為光伏逆變器的有效電壓控制方法但欠缺便捷有效地實現平臺與框架，本文提出基于IEC 61499功能塊平臺構建層級控制應用。

因IEC 61499平臺、分布式、輕量級、重配置性強、多平臺的特點，構建下垂控制與層級控制功能驗證算法可通過功能塊平臺實現，并構建與Simulink間的通信功能塊，最后通過光伏逆變器孤島電網算例實現了IEC 61499功能塊平臺與Simulink的聯合仿真。分布式控制平臺的引入幫助逆變器控制算法方便快捷地在電力設備中部署適應新型電力系統需求的應用，聯合仿真功能更進一步提升了泛用性與功能性。在大量光伏逆變器間的協調控制算法與控制量分配方面，可以繼續開展IEC 61499平臺在實際現場的功能驗證工作與適應分布式控制結構的優化分配方法方面的研究。