微电网仿真与电网仿真器及逆变器测试
现代微电网在部署前需要进行严格的实时验证。借助 Impedyme 的 组合硬件在环（CHP）平台——配备实时电网仿真器和逆变器测试模块，您可以在真实电气条件下模拟复杂的微电网场景。本页面将探讨基于 PHIL 的微电网仿真如何提升系统可靠性、优化控制策略，并确保可再生能源、储能系统及保护继电器的无缝集成。
欢迎阅读我们的博客文章，在这里我们将深入探讨利用 Impedyme 创新的 组合硬件在环（CHP） 技术进行并网微电网系统仿真。在本文中，我们将探讨 Impedyme 的 CHP 如何革新微电网仿真与验证测试，为我们提供多种功能，能够轻松模拟真实电网场景并自由调整仿真参数。跟随我们一起揭开微电网仿真的复杂性，了解 Impedyme 的 CHP 技术如何为未来具有弹性、可持续且可靠的能源系统铺路。
图 1. 微电网
微电网将太阳能电池板、风力涡轮机、电池和发电机等多种能源结合在一起，实现本地电力生成。这些能源接入一个控制系统，根据电力需求和可用资源管理电力流。在正常运行时，微电网可根据天气状况和能源需求，从可再生能源或主电网获取电力。在电网故障或紧急情况下，微电网可以切换为独立运行，确保关键负载的持续供电。
微电网的优势众多。首先，它们通过在电网故障或紧急情况下提供备用电源，提高了能源的可靠性。此外，微电网通过分散电力生成与分配，提高了系统应对极端天气事件和自然灾害的韧性。此外，微电网促进可再生能源的使用，减少温室气体排放和环境影响。微电网还能够通过优化能源使用、降低输电损耗以及利用分布式能源，实现潜在的成本节约。最后，微电网可以扩展偏远或服务不足地区的电力供应，为社区提供动力并提升生活质量。
微电网正在全球各地得到应用。它们存在于无法接入主电网的偏远社区、需要能源安全的军事基地和关键基础设施设施、寻求能源独立与可持续性的城市社区和商业综合体，以及希望优化能源管理并降低运营成本的工业园区和校园。
微电网为应对不断变化的能源挑战提供了一个有前景的解决方案。通过分散电力生成、提升可靠性并推动可持续发展，微电网展示了一个社区能够掌控自身能源未来的愿景。随着技术的进步和应用的普及，微电网将在塑造能源未来中继续发挥关键作用。
为什么进行微电网仿真？
使用 电力硬件在环（PHIL） 进行微电网实时仿真与仿真，使工程师能够在部署前重现复杂的电网场景。通过在真实运行条件下测试逆变器、BESS（电池储能系统）及微电网控制器等组件，可以及早发现潜在问题、优化控制策略，并确保符合电网规范。
借助 Impedyme 的 PHIL 平台，您可以评估逆变器穿越故障能力、负载切换、电网故障响应及黑启动能力。仿真还支持可扩展的创新实验——在无风险的实验室环境中测试可再生能源、保护方案及多模式控制（孤岛/并网）。
最终，微电网仿真有助于提升系统互操作性、缩短开发周期并提高系统可靠性——这些都是向分散化、韧性能源系统过渡的关键因素。
图 2. 微电网结构
现在让我们来看微电网系统——即太阳能光伏系统、电池储能系统、电网及负载——如何在 Simulink 中建模。
图 3. 微电网的 Simulink 模型
Simulink 模型实现：
电池储能系统（BESS）模型：
BESS 的电池 Simulink 模型依赖电池电流来估算荷电状态（SoC），并类似地根据 SoC 动态预测开路电压。该库仑计数法以其简单性著称，主要依赖于电池组的放电情况。
图 4. Simulink BESS 模型
健康状态（SoH）通过将电池组的实际测量电压与额定电压进行比较来确定。SoH 以百分比形式表示电池的当前状态，低于 100% 的数值表示电池存在衰减。此计算有助于评估电池健康状况并预测其性能随时间的变化。接下来，让我们来看逆变器建模。
BESS 电路由一个电池组和一个三相两级逆变器组成。该逆变器将电池的直流电（DC）转换为交流电（AC），然后通过变压器向公共耦合点供电。该配置使电池能够储存能量，并根据需要向电网或本地负载供电。
BESS 的控制系统采用多种技术来有效调节其运行。其中一个模型模块是下垂控制（Droop Control），它根据负载或电网状况的变化调整逆变器的输出电压或频率。此外，系统还使用有功和无功功率调节以及电流调节器，为逆变器提供脉宽调制（PWM）信号，从而确保对能量流的精确控制。
此外，同步恢复单元模块在微电网的孤岛模式和并网模式下运行协调中起着关键作用。该模块根据电网状况或运行需求，提供断路器控制信号，将微电网与主电网同步，或在孤岛模式下将其隔离。
太阳能光伏（PV）模型：
太阳能光伏（PV）是一种分布式能源，可将太阳光转化为电能。此处的 PV 模型由太阳能电池板组成，将阳光转换为直流电（DC）电压。随后，该直流电压通过 DC-DC 升压转换器提升至更高电平。接着，三相三级逆变器将高压直流电转换为交流电（AC），以便与电网兼容。转换后的交流电经过变压器后输送至公共耦合点，与主电网连接。
图 5. Simulink 太阳能光伏模型
光伏模型的控制系统在优化其性能方面起着至关重要的作用。它包括带防积分饱和（anti-windup）的功率比例-积分（PI）调节器以及最大功率点跟踪（MPPT）控制器。PI 调节器用于调整光伏系统的功率输出，以满足电网需求，而 MPPT 控制器则通过持续跟踪最佳工作点，确保光伏电池板以最高效率运行。此外，逆变器控制模块采用多种控制技术 包括锁相环（PLL）、电流调节和直流电压调节，为逆变器提供精确的控制信号。
电网模型：
在我们的微电网模型中，我们还旨在模拟关键组件的行为，如变压器、负载、发电机和输电线路。在这一建模过程中，核心模块是 Simulink 中的 “三相电压源” 模块，它用于定义电网电压源的特性。通过该模块，我们可以调整电压幅值、频率和相位角等参数，以模拟从正常运行到故障场景的不同电网条件
该模型主要包括一个 600V 母线和一个用于与 25kV 电网接口的变压器。馈电模块和负载模块进一步增强了电网场景的真实性，使我们能够更准确地重现实际运行条件。此外，断路器的引入使我们能够实现微电网的孤岛模式和并网模式，为仿真增加了灵活性。
此外，在公共耦合点（PCC）引入串联阻抗，为电网行为的仿真与分析提供了一个稳健的平台。通过将这些模块集成到模型中并进行仿真，我们能够深入了解各种电网运行场景，并在不同条件下评估系统性能。 这种全面的电网建模方法使我们能够评估微电网系统的可靠性、韧性与效率，从而推动可持续能源解决方案的发展。
图6. Simulink电网模型
负载模型：
微电网的负载模型由有功负载和无功负载组成，用以反映系统内部的能量消耗。此外，模型中还包含一个负载断路器，用于实现孤岛模式与并网模式之间的切换。通过将这些要素纳入负载模型，我们能够精确地模拟微电网的动态行为，并在不同运行条件下评估其性能。
图7. Simulink负载模型
仿真结果
电网参数
| 参数 | 数值 | 单位 |
|---|---|---|
| \( V_{\text{PCC}} \) | 600 | V |
| \( \text{Frequency} \) | 60 | Hz |
光伏参数
| 参数 | Values | 单位 |
|---|---|---|
| \( \text{Capacity} \) | 1200 | Ah |
| \( \text{Initial Voltage} \) | 920 | V |
| \( \text{Initial SoC} \) | 95% | - |
| \( \text{Initial SoH} \) | 85% | - |
储能系统（BESS）参数
| 参数 | Values | 单位 |
|---|---|---|
| \( \text{Capacity} \) | 1200 | Ah |
| \( \text{Initial Voltage} \) | 920 | V |
| \( \text{Initial SoC} \) | 95% | - |
| \( \text{Initial SoH} \) | 85% | - |
既然仿真已经完成，我们接下来介绍一下联合热电（CHP）技术，以了解如何使用 Impedyme 的联合硬件和功率硬件在环（CHP）产品实现实时仿真
Impedyme 的 CHP 技术：
图8. Impedyme的CHP机柜
CHP 无缝集成了硬件在环（HIL）和功率硬件在环（PHIL）功能，在微电网设计中提供了无与伦比的精度与效率。借助 CHP，工程师可以精确模拟真实场景，在动态条件下测试微电网系统。从电动汽车到电网仿真，CHP 使制造商能够优化性能、提升可靠性，并加快产品上市时间。其模块化设计保证了灵活性，可适应不断变化的测试需求，同时直观的 Simulink 界面简化了测试流程。
Impedyme CHP 的部分功能特点包括：
Impedyme 的仿真解决方案可以模拟您的 MATLAB Simulink 模型，用于高功率测试，功率可达数兆瓦，带宽可达 20 kHz。只需将光纤连接到我们的机柜，并部署您的模型，即可开始测试。每个机柜配备多个光纤链路，每条链路速率可达 12.5 吉比特每秒。对于超低步长的仿真，该设备支持基于 FPGA 的测试，使时间步长可低至几纳秒。此外，FPGA 的处理速度远高于 CPU，可为您的实时仿真提供更高性能。
此外，对于高速仿真，机柜抽屉中的各个 FPGA 可以相互通信。使用 Impedyme 的 CHP 进行测试非常简单，因为它直接采用 Simulink 设计。我们的产品提供了丰富的预设计模型，您可以根据自身需求和要求对设计进行定制。此外，如果我们需要同时仿真电力系统的输入端和输出端，就可以实现功率循环流动。由于功率被循环利用，只需补充电网中的功率损耗即可。这种技术能够显著降低实验室在测试大功率系统时的功率需求。此外，在模型的实时仿真过程中，我们的集成热管理系统采用先进的液冷 + 风冷技术，无需额外制冷设备即可保证散热。因此，Impedyme 的 CHP 是实时仿真已开发微电网模型的最佳解决方案之一。
既然我们已经了解了 CHP，接下来让我们看看微电网如何实现实时仿真。
图9. 微电网仿真：CHP机柜配置