關(guān)于電力推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真

汪 洋 周艷紅 姬 凱

（中船重工集團(tuán)公司712 研究所，武漢 430064）

近年來，大功率電力電子技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了日益廣泛的發(fā)展。在船舶推進(jìn)方面，以逆變器為核心的高壓變頻調(diào)速技術(shù)的各種優(yōu)勢，使大功率電力電子技術(shù)在艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)中，尤其是在交流推進(jìn)系統(tǒng)中起到越來越重要的作用。

艦船推進(jìn)系統(tǒng)作為船舶的動力系統(tǒng)對應(yīng)用于其中的大功率電力電子裝置的高性能化和可靠性都有著極高的要求，但客觀情況不可能也不允許在設(shè)備投運(yùn)前進(jìn)行詳盡的現(xiàn)場試驗(yàn)；另一方面，電力推進(jìn)領(lǐng)域涉及多個(gè)學(xué)科，包含多種設(shè)備，構(gòu)成復(fù)雜，不僅有高頻離散的電力電子裝置，還包括其他低頻連續(xù)的器件及設(shè)備，因此對于電力推進(jìn)系統(tǒng)的系統(tǒng)仿真研究非常重要。本文就電力推進(jìn)系統(tǒng)的仿真技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用情況進(jìn)行分析，并對電力推進(jìn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)進(jìn)行初步研究，其中重點(diǎn)介紹電力電子裝置的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)。

1 電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真的特點(diǎn)

由于電力推進(jìn)系統(tǒng)中，既有連續(xù)的器件和裝置，如電阻、電感、變壓器、電機(jī)等，又采用了大量的大功率電力電子器件，如電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)使用的變頻裝置，大功率電力電子裝置的高頻開關(guān)特性和離散連續(xù)混合的復(fù)雜變流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，成為影響仿真的速度和精度的主要因素，因此電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真與低頻連續(xù)的傳統(tǒng)電力系統(tǒng)仿真不同，其對電力電子裝置的仿真成為主要的難點(diǎn)。本文將重點(diǎn)論述電力推進(jìn)系統(tǒng)中高頻離散的電力電子裝置的仿真情況。

目前電力電子裝置的實(shí)時(shí)仿真包括原型物理樣機(jī)模擬、數(shù)?；旌蠈?shí)時(shí)仿真和全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真等。

前兩種仿真模式必需具備原型的樣機(jī)平臺，然而在實(shí)際的大功率電力推進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)中，各種新技術(shù)的應(yīng)用及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得樣機(jī)平臺的建立需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，各個(gè)組成部分的原型模型都需要進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究和驗(yàn)證，另一方面，對于系統(tǒng)的綜合特性的研究也必須同步展開，這就要求在原型物理樣機(jī)尚不具備的情況下，能夠?qū)﹄娏ν七M(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，同時(shí)根據(jù)研究的進(jìn)度對仿真時(shí)間提出了要求。目前，離線仿真雖然精度高，收斂性好，但對于復(fù)雜系統(tǒng)仿真，速度慢已經(jīng)成為其致命的弱點(diǎn)，因此相關(guān)的研究人員將目光投向了實(shí)時(shí)仿真軟件。

2 電力推進(jìn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真軟件平臺

目前，在電力驅(qū)動系統(tǒng)的調(diào)試中，經(jīng)常使用的仿真系統(tǒng)多為離線的，雖然仿真成本較低，但仿真速度慢，并且仿真的效果取決于所建模型的質(zhì)量。而使用實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)則受硬件設(shè)備及環(huán)境等因素的影響。成本過高，并且不容易模擬一些極限工況，所以應(yīng)用也受到一定限制。另一方面，由于電力電子產(chǎn)品競爭激烈，產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間需要縮短，往往采用并行設(shè)計(jì)開發(fā)的策略，控制器與被控設(shè)備同時(shí)進(jìn)行研制，這就存在驗(yàn)證和測試的問題，是離線仿真解決不了的。

而把實(shí)物系統(tǒng)放置在計(jì)算機(jī)仿真環(huán)節(jié)中進(jìn)行仿真研究就可以解決上述問題，并能很好地綜合以上兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，也就是采用實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。比如將實(shí)際逆變器—電機(jī)—傳感器代之以其實(shí)時(shí)模型，與實(shí)際控制器構(gòu)成閉環(huán)測試系統(tǒng)。由于該實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)回路中具有實(shí)際控制計(jì)算機(jī)及接口硬件，因而被稱為硬件在回路仿真（Hardware-in-the -loop Simulation）測試，簡稱HIL。與HIL不同的另一種實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是快速控制原形（Rapid Control Prototyping），簡稱RCP。RCP采用控制器實(shí)時(shí)模型與實(shí)際電機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成閉環(huán)控制回路，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的快速生成。

目前國內(nèi)已有多家高校及科研院所開展了電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真研究，涉及電力傳動的實(shí)時(shí)仿真卻并不是很多，而且也是近兩年才逐漸發(fā)展起來，針對含有電力電子裝置的電力推進(jìn)系統(tǒng)全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真更是寥寥無幾。

在公開發(fā)表的文獻(xiàn)當(dāng)中，電力傳動領(lǐng)域的實(shí)時(shí)仿真多采用的是dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)作為仿真平臺，以下就對該系統(tǒng)進(jìn)行簡單評述。

2.1 dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)

dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于Matlab/Simulink的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試平臺，它實(shí)現(xiàn)了和Matlab/Simulink的完全無縫連接，可直接將使用Matlab/ Simulink / Sateflow搭建的算法模型生成為可以實(shí)時(shí)運(yùn)行的代碼，并下載到其專屬硬件平臺上執(zhí)行。然后模型代碼在dSPACE硬件平臺上執(zhí)行時(shí)，可以通過平臺所具有的各種類型的物理接口（模擬 I/O，數(shù)字 I/O，ARINC429，MilStd1553B和RS422等），將產(chǎn)生的控制信號直接發(fā)給電力推進(jìn)模擬模擬系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)，模型代碼也可以通過dSPACE硬件接口接收系統(tǒng)中反饋傳感器的電信號為控制算法中閉環(huán)控制/監(jiān)控部分提供計(jì)算數(shù)據(jù)。另外，dSPACE系統(tǒng)還提供了專用的運(yùn)行監(jiān)控和在線調(diào)參圖形界面，可以作為試驗(yàn)過程中的操縱控制臺使用，以模擬真實(shí)的工作形態(tài)。

圖1 dSPACE系統(tǒng)開發(fā)流程

dSPACE的優(yōu)越性在控制算法的研究與驗(yàn)證方面表現(xiàn)的淋漓盡致，并且已經(jīng)在汽車、航空航天及國內(nèi)眾多大學(xué)和科研院所得到廣泛的應(yīng)用。但到目前為止，在電力傳動領(lǐng)域，對于電力電子裝置的實(shí)時(shí)仿真還僅限于快速控制原型（RCP）方面，針對電力電子裝置的高頻特性，尚未出現(xiàn)dSPACE在實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)上對其進(jìn)行建模及仿真的相關(guān)報(bào)道。

2.2 RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器

RT-LAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是加拿大Opal-RT 公司開發(fā)的一套基于模型仿真的實(shí)時(shí)軟硬件平臺。它的用戶界面友好，仿真精度高，擴(kuò)展性好，而且有開放的開發(fā)接口。RT-LAB可以讓設(shè)計(jì)者將基于Matlab/Simulink圖形化建模工具所搭建的數(shù)學(xué)模型，在多處理器實(shí)時(shí)仿真平臺上運(yùn)行，從而方便的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜仿真、快速原型，以及硬件在回路中的試驗(yàn)工作。RT-LAB系統(tǒng)開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 RT-LAB系統(tǒng)開發(fā)流程

用戶在上位機(jī)上運(yùn)行建模軟件并創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，然后把數(shù)學(xué)模型下載到多處理器實(shí)時(shí)仿真平臺上，運(yùn)行RT-Lab并進(jìn)行處理。另一方面，RT-LAB可以把復(fù)雜的模型劃分成多個(gè)可以并行執(zhí)行的子任務(wù)，再把這些子任務(wù)分配到網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)目標(biāo)機(jī)節(jié)點(diǎn)上，或者分配到一臺SMP對稱多處理目標(biāo)機(jī)系統(tǒng)的多個(gè)處理器上，從而構(gòu)成一個(gè)可伸縮的分布式并行實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

針對現(xiàn)代艦船廣泛應(yīng)用的電力驅(qū)動方面的仿真應(yīng)用的特點(diǎn)，RT-LAB 還具有獨(dú)有的應(yīng)用層開發(fā)工具箱RT-EVENTS 和模型實(shí)時(shí)解算器ARTEMIS，解決了電力驅(qū)動系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真所遇到的精度和運(yùn)算速度的不能統(tǒng)一的問題。

圖3 電力電子系統(tǒng)仿真器

在系統(tǒng)的仿真中，RT-LAB 附帶的RT-EVENTS工具箱發(fā)揮了很大的作用?？刂破靼l(fā)出的 PWM控制脈沖由RT-LAB 仿真目標(biāo)機(jī)上安裝的FPGA卡精確計(jì)數(shù)其每一個(gè)脈沖的起始時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間都被記錄下來。在模型計(jì)算中，這些時(shí)間信息傳遞到RT-EVENTS 的模塊中進(jìn)行插值步長。這很好的解決了定步長仿真運(yùn)算時(shí)對由外界脈沖等事件與系統(tǒng)采樣時(shí)刻不同步所造成的誤差問題。通過 RT-LAB實(shí)時(shí)仿真器的軟硬件解決方案，在精度和運(yùn)算速度上都保證了模型的實(shí)時(shí)運(yùn)算，對控制算法的設(shè)計(jì)提供了很好的依據(jù)和參考。

3 實(shí)時(shí)仿真技術(shù)

3.1 RT-LAB與PSB的兼容性

電力系統(tǒng)離線仿真常采用Matlab/PSB工具包，PSB含有大量電力系統(tǒng)中的通用模型，可對復(fù)雜的電力系統(tǒng)進(jìn)行變步長仿真，精度高，且界面友好，有較強(qiáng)的分析功能，在電力系統(tǒng)仿真中應(yīng)用廣泛，但對于大型電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真，其計(jì)算速度慢。

RT-LAB提供的 ARTEMIS工具包通過改進(jìn)算法，將SimPowerSystems具有的變步長的仿真精度和定步長的實(shí)時(shí)性能兩者優(yōu)勢結(jié)合起來。ARTEMIS通過在運(yùn)行仿真模型前預(yù)先計(jì)算出開關(guān)電路中每個(gè)開關(guān)改變狀態(tài)的拓?fù)渚仃嚕_(dá)到加速電力系統(tǒng)模型運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真的目的。因此，可以方便用戶使用SimPowerSystems庫中成熟的電力系統(tǒng)模塊，并將其快速地轉(zhuǎn)換成為實(shí)時(shí)模型。

3.2 自建模型

用戶對實(shí)際電力推進(jìn)系統(tǒng)建模時(shí)，經(jīng)常會根據(jù)需求建立特殊的設(shè)備模型，這些模型往往在仿真軟件的通用模型庫中沒有被包含，需要自己建立，也就是模型的二次開發(fā)，這在實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)中也不例外。

基于Matlab軟件，自建模型方法通常有兩種方式：一種是利用Simulink中的模塊來搭建，該方法思路清晰、簡單，但是要調(diào)用較多的模塊，同時(shí)連線也較繁瑣，出錯(cuò)時(shí)不易發(fā)現(xiàn)，且仿真速度較慢；另一種方法是利用s函數(shù)模塊建模，s函數(shù)可以用M語言和C語言編寫，M文件形式的s函數(shù)具有容易編寫的優(yōu)點(diǎn) 。但由于它在每個(gè)仿真步都要激活Matlab解釋器，使得仿真速度變慢，而使用C語言編寫的s函數(shù)，就可以避免這些不足，這正是整個(gè)Simulink動態(tài)系統(tǒng)的核心，同時(shí)也是使用 RTW 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真的關(guān)鍵所在。因此，本文的自建模型采用C語言編寫的s函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，并且要根據(jù)仿真的目的，適當(dāng)簡化模型，使仿真計(jì)算過程中能在計(jì)算步長內(nèi)對計(jì)算方程進(jìn)行更新，保證計(jì)算的實(shí)時(shí)性。

4 仿真實(shí)例對比

4.1 RT-LAB實(shí)時(shí)仿真時(shí)間對比

仿真模型采用帶有12脈動晶閘管整流橋的3電平永磁電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為試驗(yàn)對象，對同一模型在離線仿真及實(shí)時(shí)仿真情況下所花費(fèi)的時(shí)間進(jìn)行對比。

圖4 3電平永磁電機(jī)仿真模型

1）模型步長設(shè)為 25μs，仿真時(shí)間設(shè)為 300s。試驗(yàn)結(jié)果如下：

表1

2）模型步長設(shè)為1μs，仿真時(shí)間設(shè)為300s。試驗(yàn)結(jié)果如下：

表2

由此可見，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)在進(jìn)行電力傳動系統(tǒng)的仿真上充分體現(xiàn)了其速度快的優(yōu)越性。

4.2 3相異步機(jī)調(diào)速系統(tǒng)自建模型離線仿真

圖 5所示模型是在 Matlab附帶的 demo文件（power_acdrive.mdl）的基礎(chǔ)上增加了自建 3相異步電機(jī)模塊（abc_3ph），通過離線仿真驗(yàn)證自建模型的準(zhǔn)確性。

圖5 3相異步電動機(jī)矢量控制仿真模型

這個(gè)模型完成的是3相異步電動機(jī)矢量控制系統(tǒng)仿真，其中含有3相逆變器和矢量控制系統(tǒng)，仿真時(shí)間3s。

圖6 Matalb自帶模型庫中電機(jī)模塊輸出波形

圖7 自建電機(jī)模塊輸出波形

由圖6和圖7的對比可以看出，自建模型不僅可以與PSB庫中模塊連接運(yùn)行，并且可以達(dá)到相等的仿真結(jié)果，其中，兩種電機(jī)模型采用同樣的輸入電源信號，仿真步長采用10μs定步長，仿真誤差在可接受的范圍內(nèi)。

4.3 3相異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)模型實(shí)時(shí)仿真

將3.2中的模型轉(zhuǎn)化為基于RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺的模型（其中電機(jī)采用自建模型）進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。框圖如圖8所示。

圖8 RT-LAB實(shí)時(shí)仿真模型

圖9 SS_Main子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖10 SM_control子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖11 SC_view子模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖12 RT－LAB實(shí)時(shí)仿真輸出波形

由圖12可以看出，在達(dá)到滿足實(shí)時(shí)仿真步長的情況下，實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)可以達(dá)到需要的仿真精度。

5 結(jié)論

本文通過對目前電力電子仿真手段及仿真軟件的分析，得出以下結(jié)論：

1）針對大功率的電力推進(jìn)系統(tǒng)仿真，必須將其各個(gè)設(shè)備的特性都能夠進(jìn)行描述，其中即包括高頻離散的電力電子開關(guān)元件和設(shè)備，也包括低頻連續(xù)的電磁設(shè)備等等，因此必須綜合起來考慮仿真平臺的選擇。

2）由于大功率的電力推進(jìn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，離線仿真速度慢成為研制和開發(fā)的瓶頸，已經(jīng)很難適應(yīng)縮短項(xiàng)目開發(fā)周期的要求，需要考慮用更有效的手段提高仿真效率，如實(shí)時(shí)仿真。

3）現(xiàn)有的仿真軟件中，RT－LAB可以進(jìn)行電力傳動系統(tǒng)的全數(shù)字仿真，且速度快，精度高，可以成為電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)工具進(jìn)行運(yùn)用，但對大型系統(tǒng)而言，仿真的速度及精度還受到仿真器所使用的處理器的頻率、數(shù)目、通訊以及其他硬件板卡的限制，實(shí)時(shí)性有待提高。另外，RT—LAB的半實(shí)物仿真成為下一步尚待開展的工作。

[1] 宋強(qiáng),劉鐘淇,張洪濤,劉文華.大功率電力電子裝置實(shí)時(shí)仿真的研究進(jìn)展[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006(12).

[2] 羅建民.何正文/電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真技術(shù)的研究[J].電氣時(shí)代,2006(9).

[3] 潘學(xué)萍.電力系統(tǒng)數(shù)字仿真研究綜述[J].江蘇電機(jī)工程,2005(1).

[4] 夏鵑,周治平,紀(jì)志成.基于 dSPACE電氣傳動控制系統(tǒng)的在線仿真[J].微特電機(jī),2004(5).