实时仿真与HIL系统应用案例I.智能电网与新能源汽车目录案例1.某柔性直流输电示范工程控制保护装置测试 (1)案例2.MMC柔性直流输电控制保护装置算法开发及测试 (2)案例3三端MMC-HVDC柔性直流装置入网检测 (4)案例4.五端MMC柔性直流输电全数字仿真及装置测试 (5)案例5.基于半桥结构的统一潮流控制器UPFC硬件在环测试 (6)案例6.风电并网系统RCP研究及HIL测试 (7)案例7.双馈风机并网系统控制器硬件在环HIL测试 (8)案例8.基于RT-LAB的光伏阵列模拟器 (9)案例9.微电网功率硬件在环仿真（PHIL） (10)案例10.微电网实时仿真模型开发及研究 (11)案例11.锂离子电池储能并网控制器PCS硬件在环测试HIL (12)案例12.密集节点变电站实时仿真 (13)案例13.基于IEC61850的继电保护测试 (15)案例14.基于实时仿真的广域监测、保护及控制WAMPAC测试 (17)案例15.基于功率硬件在环（PHIL）配电网电能质量分析 (19)案例16.基于实时仿真的配电网继电保护测试 (20)案例17.有源电力滤波APF控制器算法设计 (21)案例18.电力系统机网协调仿真分析及半实物测试 (22)案例19.高压大功率变频器半实物仿真 (23)案例20.永磁同步电机PMSM控制系统设计 (24)案例21.永磁同步电机PMSM控制器虚拟测试平台 (25)案例22.新能源汽车开关磁阻电机MCU硬件在环测试 (26)案例23.基于JMAG高精度有限元分析的实时仿真 (27)案例24.新能源汽车PMSM电机控制器HIL测试 (28)案例25.新能源汽车多ECU硬件在环测试 (29)案例26.新能源汽车电池控制系统BMS自动测试平台 (30)案例27.高速动车组牵引传动系统实时仿真 (32)案例28.大功率逆变电源半实物仿真 (33)案例29.船舶电力推进及综合电力系统 (34)案例1.某柔性直流输电示范工程控制保护装置测试该系统是某设备制造商为了测试其MMC-HVDC控制保护装置而配置的RT-LAB系统。
中间黑色机柜为RT-LAB仿真器，白色机柜为控制保护装置。
RT-LAB中模拟风场、MMC整流换流站、直流线路、逆变换流站及受端的交流电场。
可以在模型任意处设置故障，并在任意处观测波形。
图1-1现场图示该仿真应用难点在于大量电力电子器件的解算以及系统的大量IO，RT-LAB自带的实时电力算法保证了模型解算的实时性，MMC模块库保证了模型准确性，PCIe总线技术保证了3300多个IO的正常使用。
系统仿真结果与实际现场波形比较显示，RT-LAB数字实时仿真器可以替代动模，为装置的测试提供准确的虚拟对象。
案例2.MMC柔性直流输电控制保护装置算法开发及测试某设备制造商为开发其MMC-HVDC控制保护装置的算法，并对其开发好的装置进行测试，配置了以下RT-LAB系统：A.系统算法设计初期：由于实际主回路器件订货周期较长，为了同步开发不影响进度，采用一台RT-LAB 模拟MMC主电路及电网，另一台RT-LAB基于Simulink开发并优化算法，其原理如下：图2-1原理图B.系统算法设计现场调试：算法设计完成后，主回路已经到位，此时，将在租借的RT-LAB上运行的虚拟主电路及电网替换为真实主电路及电网，进行真正的RT-LAB控制器RCP现场调试，其现场图片如下：图2-2现场图示C.实际装置测试硬件在环HIL测试B阶段算法得到验证，控制保护装置样机出厂时，进入到第三阶段，将MMC主电路及交流电力系统运行于RT-LAB中，作为虚拟被控对象，对实际控制保护装置进行硬件在环（HIL）测试。
图2-3现场图示案例3三端MMC-HVDC柔性直流装置入网检测该项目为某电网公司三端MMC柔性直流示范工程。
目标将建成一个±160KV、输送容量为200MW的3端柔性直流输电系统。
RT-LAB在本工程中主要承担的任务为：全网（包括换流站）的全数字仿真、3个站的站控测试、3个站的阀控测试；所有参与单位的设备均通过RT-LAB进行功能及出厂测试。
图3-1原理图从仿真角度来说，本项目对RT-LAB提出的挑战是，大规模风电场接入仿真，世界最大规模交直流混合电网仿真，MMC柔性直流换流站仿真。
某电网公司配置了若干基于CPU的仿真器对交直流电网进行仿真，同时采用了若干基于FPGA的仿真器对柔性直流环流阀进行仿真，解决了这一仿真难题。
案例4.五端MMC柔性直流输电全数字仿真及装置测试该工程采用±220KV直流电压，分别在五个地方各建设一个换流站，容量分别定为40MW/30/MW/10MW/10MW/10MW，建设直流输电线路141公里交流220千伏输电线路22.5公里，110KV线路15.2公里。
这是世界上第一个5端柔性直流输电工程，将建成舟山北部主要岛屿间的直流输电网络，增强网架结构，并为风电及光伏接入打下基础。
图4-1原理图对于RT-LAB仿真来说，提出的挑战在于交直流电网的混合仿真，5端MMC柔性直流环流阀的详细模拟。
本系统交流送端及受端采用基于CPU处理器的OP5600型号仿真器，五端柔性直流环流阀等电力电子部分运行于基于FPGA处理器的OP7000系统仿真器上，OP5600与OP7000通过PCIe数据总线进行数据通信，从而完成整个系统分析。
该电网公司基于此平台完成了稳态及故障情况下的系统性能分析及应对措施，并将在二期工程中对接入电网的控制保护设备进行入网检测。
案例5.基于半桥结构的统一潮流控制器UPFC硬件在环测试统一潮流控制器（UPFC）可以灵活、快捷地实现输电系统的实时控制和动态补偿，能够同时统一控制或有选择地控制影响线路潮流的所有参数（电压、阻抗和相位角），还可以独立控制线路中的有功和无功潮流，将在保障未来智能电网的安全、经济、高效、优质运行中扮演重要角色。
图5-1半桥拓扑图本系统中通过MATLAB建立了基于半桥结构（如上图）的UPFC的主电路拓扑模型以及所并入的交流电网模型，利用RT-LAB将其实时化，利用模型CT、PT等测量电网的三相电压、三相电流和直流母线电压电流等信号，通过Aout模拟输出给UPFC真实控制器，通过Din接受来自真实控制器的PWM脉冲信号，对模型中的UPFC的主电路进行控制，从而完成基于半桥结构的UPFC的硬件在环测试。
图5-2原理图案例6.风电并网系统RCP研究及HIL测试为了对风力发电并网系统进行研究，对控制器进行测试，将RT-LAB分别作为控制器及被控对象使用。
左图中RT-LAB作为控制器原型（RCP）。
此系统中，RT-LAB采集实际电压、电流、转速等，发出控制脉冲，形成闭环，目的是研发早期对算法有效性、功能及性能进行优化；右图中RT-LAB作为对象模拟系统（HIL）。
图6-1现场图示此系统中，RT-LAB模拟风机、传动链、变流器、电网及负载等部件，为实际DSP 控制器测试提供一个虚拟对象环境。
图6-2原理图以往希望若干人，几个月时间搭建的调试环境，现在一个人一个下午即可完成。
案例7.双馈风机并网系统控制器硬件在环HIL测试本项目在RT-LAB仿真平台下，利用RT-LAB以及Simulink/SimPowerSystemS搭建了包括主电网、风力机以及变流器在内的双馈风力发电系统实时仿真模型，并以实物DSP 作为变流控制器与RT-LAB实时仿真机进行对接，组成硬件在环(HiL)实时仿真系统。
图7-1原理图实验证明：利用RT-LAB实时仿真功能，可方便的模拟双馈风机在各种风况以及电网故障下的运行状况，实现硬件在环仿真，得到了更接近实际的结果，使得控制器参数的优化更加快捷。
同时使用电网模型及双馈风力发电机模型替代真实的电网及双馈风力发电机，克服了外界条件的限制，节约了成本，为实验室内进行双馈风力发电各种故障研究提供了一个良好的试验平台。
案例8.基于RT-LAB的光伏阵列模拟器光伏模拟器是以光伏电池的数学模型为基础，将普通的电源转换成特殊电源，使其能够按照光伏特性曲线完成输出。
系统结构主要包括整流电路、DC/DC电路、控制电路和采样检测电路等。
由于BUCK电路拓扑比较简单，控制方便，目前得到了广泛应用。
图8-1原理图本系统首先利用光伏电池的数学模型在Simulink/SimPowerSystemS环境中搭建光伏模拟器，使得在实验室进行光伏特性实验时摆脱日照强度、环境温度等自然条件的影响。
然后，建立单级式光伏并网系统仿真模型，并将整个系统在RT-LAB环境中转化为实时仿真模型，模拟系统在外部光照发生变化时系统的响应，以对其进行实验和研究，实现了光伏发电系统的实时仿真。
为实验室内在真实或接近于真实的环境下进行大功率的光伏实验提供一个良好的实验平台。
案例9.微电网功率硬件在环仿真（PHIL）该系统中RT-LAB完成对多种分布式发电及储能装置的全数字模拟，包括风电、光伏、微型燃气轮机、蓄电池、超级电容、飞轮储能等。
目的是将建立的数学模型与实际装置进行对比，获得比较准确的数学模型为以后研究提供便利。
在未得到准确数学模型之前，RT-LAB模拟电网，将实际的装置通过功率放大器并入运行于RT-LAB中的“虚拟电网”，以期考察各种新能源并入电网后的双向影响。
图9-1原理图值得提及的是，由于需要同时考虑装置对电网的影响以及电网对装置的影响，RT-LAB与装置之间的功率放大器必须能够四象限运行，即功率必须能够双向流动，此类仿真器对带宽及相应速度有较高的要求。
图9-2现场图示案例10.微电网实时仿真模型开发及研究该系统中RT-LAB完成对多种分布式发电及储能装置的全数字模拟，并协助客户完成应用Simulink/SimPowerSystemS内置模型库中的标准模型，建立以下电气设备组成的微网系统仿真模型：13台690V1.5MW双馈风电机组，及相关变压器和输电线路；2台10.5kV30MW汽轮发电机组，及相关变压器和输电线路；11台10kV1409kW内燃机发电机组，及相关变压器和输电线路；1台光伏发电系统（含逆变器）模型，额定容量为1MW≤PN≤5MW；15MW负荷模型。
图10-1原理图借助于RT-LAB的分布式并行计算功能，将微电网的模型分配到CPU的6个核中并行执行，实现了以30微秒为步长的实时运行。
以下为系统所关注电气量的波形。
图10-2原理图案例11.锂离子电池储能并网控制器PCS硬件在环测试HIL本项目在RT-LAB仿真平台之上，利用电池模型、变流器模型以及储能变流器控制器实物，建立了电池储能系统实时仿真系统。
图11-1结构图图11-2现场图示通过试验证明：利用其在线实时仿真功能，可方便地模拟电池储能变流器系统真实运行状况，实现了硬件在回路仿真，得到了接近实际的试验结果，使优化控制器参数的过程更加快捷。