電力牽引傳動系統(tǒng)微秒級硬件在環(huán)實時仿真

郝 琦 葛興來 宋文勝 馮曉云

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031）

電力牽引傳動系統(tǒng)微秒級硬件在環(huán)實時仿真

郝 琦 葛興來 宋文勝 馮曉云

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 610031）

為滿足電力牽引傳動系統(tǒng)高速實時仿真的需求，分析了交直交牽引傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其原理，建立了現(xiàn)場可編程門陣列硬件在環(huán)（HIL）仿真模型，其中包含單相脈沖整流器、中間直流回路、三相兩電平逆變器以及異步電機四部分。對于含有開關(guān)器件的結(jié)構(gòu)——逆變器和整流器，分別推導(dǎo)出它們不同狀態(tài)下各自開關(guān)函數(shù)的邏輯表達式，考慮了變流器電流過零點時的換流情況。采用狀態(tài)方程及矩陣方程分別對變流器以及異步電機進行建模，并將數(shù)學(xué)模型集成在FPGA中加以實現(xiàn)，在RT-LAB實時仿真器上進行HIL仿真，驗證了仿真平臺的正確性。由于采用FPGA模擬牽引傳動系統(tǒng)，充分發(fā)揮了其善于并行計算的特性，大幅縮短了仿真的步長，突破了中央處理器速度限制，實現(xiàn)了微秒級系統(tǒng)模型實時仿真，提高了HIL仿真系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及準(zhǔn)確度。

現(xiàn)場可編程邏輯陣列 微秒級 硬件在環(huán) 電力牽引傳動系統(tǒng) 實時仿真 交直交

TM922

0 引言

近年來，在電力電子和電氣傳動領(lǐng)域，硬件在環(huán)（Hard-In-the-Loop, HIL）作為一種快速、安全和可靠驗證控制器算法的途徑逐漸得到了廣泛應(yīng)用[1]。開發(fā)過程中加入HIL仿真，可以提前測試系統(tǒng)的控制參數(shù)和算法，有效減少了研發(fā)的周期與成本[2]。在HIL仿真系統(tǒng)中，實時仿真器用數(shù)學(xué)模型模擬實際裝置，實際控制器對其模型加以控制，二者進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了系統(tǒng)多參數(shù)、多運行條件的測試，并具有靈活性好、體積小、周期短和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點[3]。

文獻[4,5]針對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電力牽引傳動系統(tǒng)，建立實時仿真模型，仿真步長分別為 40μs和60μs，測試驗證了模型的正確性。文獻[6]為避免電力電子實時仿真模型求解發(fā)散，給出不同電路拓?fù)湎履軌虮ＷC模型求解收斂穩(wěn)定的最大步長。文獻[7]為了提高實時仿真準(zhǔn)確度，研究了開關(guān)器件在相鄰仿真時刻間動作時的補償算法。無論是為了避免模型求解發(fā)散或是為了提高仿真準(zhǔn)確度，縮小仿真步長都是最為直接有效的方法。

傳統(tǒng)HIL仿真中，由中央處理器（CPU）承擔(dān)模型解算工作，由于其模擬程序采用串行計算方式，速度難以進一步提升，HIL仿真步長通常在 10μs數(shù)量級[8]。較高的仿真步長意味著低采樣速率，為了精確體現(xiàn)控制器脈沖控制效果，只能通過額外器件精確抓取脈沖變化時間，在下一個仿真周期中引入算法加以補償。如若強制縮短仿真步長，又會導(dǎo)致計算超時，進而引起仿真數(shù)值的不穩(wěn)定。HIL系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交互的模-數(shù)、數(shù)-模器件頻率動輒上兆赫茲，控制器——FPGA或 DSP，其控制周期也能達到10μs這一數(shù)量級。顯然，實時仿真器的速度已經(jīng)成為仿真系統(tǒng)的瓶頸，影響了實時仿真速度進一步提升。

目前為止，F(xiàn)PGA憑借其高時鐘頻率、高可靠性和多輸入、輸出等特點，承擔(dān)了電力電子裝置驅(qū)動脈沖發(fā)生工作，應(yīng)用已非常普遍[9-11]。在 HIL仿真方面，F(xiàn)PGA主要應(yīng)用在硬件接口中，承擔(dān)仿真器與控制器間信號交換[12]。但是，F(xiàn)PGA還具備潛力替代CPU成為電力電子系統(tǒng)的仿真運算單元。文獻[13]分析了電力電子器件的開關(guān)特性和換流過程，并在FPGA中實現(xiàn)其實時仿真，在器件級的水平上反映出開關(guān)過程中電壓、電流尖峰及功率損耗等關(guān)鍵指標(biāo)。文獻[14]針對兩電平電壓源型逆變器及異步電機進行建模，采用FPGA對系統(tǒng)模型進行仿真，仿真步長為10μs，實現(xiàn)了對電機的矢量控制HIL實時仿真。

本文以交直交電力牽引傳動系統(tǒng)為對象，提供了一種高速實時仿真的建模和實現(xiàn)方法，完成了牽引傳動系統(tǒng)1μs步長的HIL仿真?；谟布枋稣Z言（Hardware Description Language，HDL）在FPGA中實現(xiàn)了電力牽引傳動系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Ｒ约盃恳惒诫姍C建模，構(gòu)建了電力牽引交流傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺，并完成了實時仿真模型HIL仿真測試。與傳統(tǒng)基于CPU的實時仿真系統(tǒng)相比，仿真步長大幅減小，仿真模型動態(tài)響應(yīng)速度提高，此外還避免CPU模型解算中復(fù)雜的時間補償算法，提高了仿真準(zhǔn)確度。

1 電力牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真簡介

電力牽引傳動系統(tǒng)包括牽引變壓器、單相脈沖整流器、中間直流回路、三相兩電平逆變器和牽引異步電機[15]。牽引變壓器將單相 50Hz工頻交流降壓，供給單相整流器，后者將交流電變?yōu)橹绷麟?，并通過中間直流回路輸送給逆變器。逆變器將直流電變換為頻率幅值可變的三相交流電，驅(qū)動牽引異步電機，為整個系統(tǒng)提供動力[16]。

圖1給出了電力牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真框圖。與傳統(tǒng)實時仿真相比，將被控對象的模型由CPU中轉(zhuǎn)移到FPGA芯片中進行計算。采用雙DSP分別作為整流器系統(tǒng)和逆變器電機系統(tǒng)的控制器。脈沖整流器系統(tǒng)控制算法采用瞬態(tài)電流控制，調(diào)制算法采用SPWM。逆變器電機系統(tǒng)控制算法采用轉(zhuǎn)子磁場定向間接矢量控制，調(diào)制算法采用 SVPWM，其中低速區(qū)為異步調(diào)制，中高速區(qū)為分段同步調(diào)制。

圖1　電力牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真框圖Fig.1 HIL of electrical traction drive system

2 牽引變流器建模

Matlab/Simulink、PSCAD等仿真軟件在求解電路時，根據(jù)其拓?fù)浜蛥?shù)將待求電路化為高階方程組，并進行求解，其中涉及到行列式變換、矩陣乘法求逆等，這類復(fù)雜運算在FPGA上實現(xiàn)較為困難。為滿足實時仿真系統(tǒng)的高速性，本文采用狀態(tài)方程對變流器進行建模，忽略器件導(dǎo)通時的電阻和關(guān)斷時的電導(dǎo)，便于牽引變流器模型的求解。將整流器、逆變器以及連接二者的直流電路視為變流器的三個核心部分，進行統(tǒng)一建模。整流器、逆變器共同完成了交直交傳動系統(tǒng)的電能變換，中間直流回路作為兩者能量傳輸?shù)臉蛄骸?/p>

2.1單相脈沖整流器及直流環(huán)節(jié)模型

牽引變壓器將供電系統(tǒng)的電能變換電壓等級，變壓器一次側(cè)、二次側(cè)電動勢同頻率、同相位，僅幅值不同。為降低仿真系統(tǒng)的復(fù)雜度，建模時只考慮變壓器二次側(cè)，將其等效為正弦交流電源與變壓器二次側(cè)漏電感Ls和繞組電阻Rs串聯(lián)，如圖2所示。

圖2　單相整流器及直流環(huán)節(jié)電路結(jié)構(gòu)Fig.2 Topology of the single-phase rectifier and DC-link circuit

單相整流器由a橋和b橋兩個橋臂組成，每個橋臂包含兩個IGBT和兩個二極管，共同組成一個全控橋電路。建立整流器理想開關(guān)函數(shù)，描述a橋、b橋?qū)P(guān)斷，其開關(guān)函數(shù)Sra、Srb狀態(tài)可定義為

則整流器輸出電流和輸入端電壓可以分別用開關(guān)函數(shù)表示為

式中，udc為直流側(cè)電壓；uab為整流器輸入端電壓；is為變壓器二次電流；ir為整流器輸出電流。

中間直流回路包含一個直流電容器 Cdc和一個包含電感L2和電容C2的LC濾波電路，后者的諧振頻率設(shè)置為100Hz。

至此，將整流器、變壓器與中間直流回路聯(lián)合起來，圖2所示的電路拓?fù)鋽?shù)學(xué)模型可以描述為

式中，Cdc為直流側(cè)電容；C2為濾波電路電容；L2為濾波電路電感；us為變壓器二次電壓；uab為整流器輸入端電壓；uC2為電容 C2電壓；iL2為電感 L2電流；ip為直流電路輸出電流。

2.2牽引逆變器模型

逆變器主電路如圖3所示，它由三相橋臂u、v 和w組成，每個橋臂有兩個IGBT以及與其反并聯(lián)的二極管構(gòu)成，共同構(gòu)成三相電壓源型逆變器。

圖3　三相兩電平逆變器電路拓?fù)銯ig.3 Topology of the three-phase two-level inverter

與整流器類似，用開關(guān)函數(shù)描述逆變器開通關(guān)斷狀態(tài)，即

在牽引傳動系統(tǒng)中，逆變器向電機提供三相交流電壓。取直流側(cè)支撐電容中點為零電位點，則電機三相輸入電壓及直流回路輸出電流可以描述為

式中，uu、uv和uw分別為電機u、v和w三相輸入電壓；iu、iv和iw分別為電機u、v和w三相電流。

2.3FPGA實現(xiàn)

對于整流器和逆變器，開關(guān)函數(shù)取值由其接收控制器的觸發(fā)脈沖所決定。

以整流器為例，整流器拓?fù)浒膫€開關(guān)管，開關(guān)管信號組合有24=16種，其中有七種信號組合會引起直流母線短路，排除后仍有九種，而開關(guān)函數(shù)Sra與Srb組合僅有22=4種，開關(guān)函數(shù)與觸發(fā)脈沖存在一定的映射關(guān)系。因此，首先要確定如何根據(jù)觸發(fā)脈沖來獲得開關(guān)函數(shù)。

變壓器漏電感的續(xù)流作用會維持變壓器二次電流 is方向不變，而電流流向的不同也會影響橋臂導(dǎo)通關(guān)斷狀態(tài)。枚舉出 is為任意方向時，不同觸發(fā)脈沖組合對應(yīng)的開關(guān)函數(shù)，表1給出了具體開關(guān)函數(shù)取值。

表1　觸發(fā)信號與開關(guān)函數(shù)對照Tab.1 Corresponding rules between trigger signal and switching function

當(dāng)is大小接近于0時，電感續(xù)流作用可被忽略，此時開關(guān)器件通斷情況受交流側(cè)電壓以及直流側(cè)電壓影響。定義閾值δ，當(dāng)時，不再以is正負(fù)來判斷開關(guān)函數(shù)取值，類似地，列舉出不同電壓條件下的開關(guān)函數(shù)的值，文中不再給出。實際情況中，δ 取值視系統(tǒng)功率等級和模型計算步長不同而變化，功率等級越大或計算步長越大，對應(yīng)δ 取值越大，此處取0.5Α。

若采用C語言實現(xiàn)，為得到不同情況下開關(guān)函數(shù)取值，需要加入一系列條件判斷語句。而對FPGA來說，實現(xiàn)條件判斷效率并不高，需要耗費較多的硬件資源。

電流方向、電壓正負(fù)和電壓間大小比較都可化為二進制 01變量，IGBT的觸發(fā)脈沖也用01變量表示。而FPGA恰好善于組合邏輯運算，因此，本文考慮用邏輯表達式來表示 Sra和 Srb，并利用卡諾圖化簡邏輯函數(shù)得

式中，Zis、sgnis和sgnus分別對應(yīng)電感電流過0判斷、電感電流方向和網(wǎng)側(cè)電壓正負(fù)三個邏輯變量。

此外，當(dāng)電感不具備續(xù)流作用時，整流器還存在一種特殊的工作情況。例如：當(dāng) udc＞us＞0、|is|＜δ 時，Tr2=Tr3=0，Tr1、Tr4不同為1。此時，由于Tr1、Tr4并沒有同時接收導(dǎo)通觸發(fā)脈沖，對于is來講，只存在順時針導(dǎo)通的回路（流經(jīng)二極管），而不存在逆時針導(dǎo)通的回路（流經(jīng)IGBT），并且由于udc＞us，二極管承受反向壓降，無法導(dǎo)通。在FPGA實現(xiàn)過程中，驅(qū)動is寄存器的復(fù)位信號使之為0。

對于逆變器，由于電機的定子繞組也呈感性，同樣具有續(xù)流作用。定義電機電流方向邏輯變量為

式中，k可取u，v和w。

電機與中間直流環(huán)節(jié)不同，不存在電容維持電機側(cè)電壓，因此不必考慮電機電流過0點時的橋臂導(dǎo)通情況。

同樣，利用卡諾圖對其進行化簡得到邏輯函數(shù)

為保證模型求解速度，模型中變量、參數(shù)統(tǒng)一以定點數(shù)參與運算，表2中給出了牽引變流器模型中變量定點數(shù)表示。以交流電壓 us的定點數(shù)精度16.8為例，用16個二進制位表示電壓的整數(shù)部分，8個二進制位表示電壓的小數(shù)部分。

表2　牽引變流器變量定點數(shù)表示Tab.2 Fix-point format of variables in traction converter

本文中，采用了梯形公式對狀態(tài)方程進行積分計算。由于將模型集成在FPGA中，使得模型求解步長大幅度縮短，梯形公式積分已經(jīng)可以滿足較高的仿真準(zhǔn)確度。

圖4 牽引變流器模型離散化框圖Fig.4 The block diagram of discretization modeling of a traction converter

圖4中給出了變流器模型的離散化具體實現(xiàn)框圖，其中，Ts為 FPGA模型仿真步長，為1μs。由于模型中，式（3）相對較為復(fù)雜，用狀態(tài)方程一般形式進行表示。

最后，F(xiàn)PGA實現(xiàn)過程中也考慮了短路故障情況，當(dāng)監(jiān)測到整流器或逆變器上下橋臂同時接收到導(dǎo)通信號時，模型會向上位機發(fā)送短路報警信號。

3 異步電機建模

電力牽引傳動系統(tǒng)通常選取三相異步電機，將電能轉(zhuǎn)化為機械能，為列車提供行駛動力。三相異步電機本身是一個高階非線性的多變量系統(tǒng)，本文采用靜止αβ坐標(biāo)系下異步電機模型對其建模。

3.1牽引異步電機模型

首先，將牽引變流器的輸出三相電壓uu、uv和uw采用矢量合成方式，轉(zhuǎn)換為兩相靜止αβ坐標(biāo)系下的電壓uαs、uβs為

因此，在兩相靜止坐標(biāo)系下，異步電機的狀態(tài)方程模型如式（9）～式（13）所示。

式中，Rs為定子內(nèi)阻；Rr為轉(zhuǎn)子內(nèi)阻；Lm為互感；Ls為定子自感；Lr為轉(zhuǎn)子自感；ψαs、ψβs為定子磁鏈在α軸和β軸分量；ψαr、ψβr為轉(zhuǎn)子磁鏈在α軸和β軸分量；uαs、uβs為定子電壓在α軸和β軸分量；iαs、iβs為定子電壓在α軸和β軸分量；np為級對數(shù)；ωr為轉(zhuǎn)子電角速度；ωm為轉(zhuǎn)子機械角速度；J為轉(zhuǎn)動慣量；Te為電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

最后，將兩相靜止坐標(biāo)系下的電流iαs、iβs轉(zhuǎn)換為三相交流電流iu、iv和iw，轉(zhuǎn)換公式為

式中，iu、iv、iw作為電機輸出，同時作為逆變器的輸入反饋回變流器模型。

3.2FPGA實現(xiàn)

在FPGA實現(xiàn)過程中，主要是對模型的離散化處理。圖5給出了異步電機模型的離散化具體實現(xiàn)框圖，Ts為FPGA模型仿真步長，為 1μs。由于式（9）相對較為復(fù)雜，用狀態(tài)方程一般形式X= AX+BU進行表示。

圖5　異步電機模型離散化框圖Fig.5 The block diagram of discretization modeling of an induction motor

在該模型中，四階狀態(tài)方程以轉(zhuǎn)子和定子磁鏈為狀態(tài)變量，描述電機電磁特性，一階狀態(tài)方程以轉(zhuǎn)子電角速度ωr為狀態(tài)變量，描述電機機械特性。由于轉(zhuǎn)速相對磁鏈來說是慢變量，ωr(k)與ωr(k+1)的角速度變化差值相對較小。因此，先由ωr(k)作為初值計算第k+1時刻轉(zhuǎn)子和定子磁鏈，再由磁鏈計算第k+1時刻Te和ωr。

表3給出了異步電機模型中變量定點數(shù)表示。

表3　異步電機變量定點數(shù)表示Tab.3 Fix-point format of variables in an induction motor

表4給出了模型各部分調(diào)用基本運算模塊的數(shù)量。加法運算、移位和多路選擇均可以在一個時鐘周期完成，乘法運算相對復(fù)雜，采用流水線乘法器加以實現(xiàn)，對于一個N位數(shù)乘法器需要INT(log2N)級加法實現(xiàn)。模型中的乘數(shù)均不超過32位，考慮到移位及其他操作的時間，乘法運算耗時共6個時鐘周期。FPGA芯片時鐘頻率為 100MHz，乘法運算時間為60ns，其他運算操作則需10ns，對表4各部分求和，共 750ns。此外，模型中需對關(guān)鍵變量添加寄存器，保證數(shù)值穩(wěn)定，通過控制器脈沖計算得到變流器開關(guān)函數(shù)，亦需要計算時間。故考慮時間裕量將 100個 FPGA時鐘周期設(shè)為仿真步長，即1μs，各計算模塊受1MHz的信號觸發(fā)，信號占空比為1%，保證了每1μs系統(tǒng)完成一次完整運算。

表4　模型各部分運算模塊使用數(shù)量Tab.4 Numbers of operation modules of each part in this model

本文采用了Xilinx公司的System Generator系統(tǒng)級工具箱對整個電力牽引傳動系統(tǒng)模型進行實現(xiàn)。該工具箱提供了圖形化的設(shè)計界面，并且提供了Matlab/Simulink的接口。

4 HIL仿真驗證

4.1HIL仿真平臺框架

圖6a和圖6b分別給出了HIL仿真平臺的框架結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖。上位機與RT-LAB仿真器通過以太網(wǎng)線通信，上位機可觀測模型中的變量，并可配置模型參數(shù)。RT-LAB實時仿真器包含兩個運算單元：CPU為Intel Core-i7處理器，F(xiàn)PGA為Xilinx Virtex-6芯片。CPU將配置信號通過PCI-E總線發(fā)送給FPGA，并接收來自FPGA的待觀測量。FPGA還負(fù)責(zé)與數(shù)字、模擬板卡通信的工作，模型中的電流、電壓、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩等信號經(jīng)過模擬板卡OP5330輸出。其中電壓、電流信號發(fā)送給 DSP的模-數(shù)模塊。電機的轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過正交編碼脈沖（Quadrature Encoder Pulse，QEP）電路，通過OP5354數(shù)字輸出板卡發(fā)送至DSP的QEP模塊，F(xiàn)PGA通過數(shù)字輸入板卡OP5353，接收來自DSP的PWM信號，控制模型中虛擬的整流器和逆變器。值得一提的是，OP5353、OP5354和 OP5330中的所有信號都可以在RT-LAB仿真器I/O面板通過示波器進行觀測。牽引控制單元（TCU）由TI公司TMS320F2812為核心的器件構(gòu)成。

圖6　電力牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真平臺Fig.6 The block diagram and photo of hardware-in-the-loop simulation platform for electrical traction drive systems

4.2測試結(jié)果

為了驗證所建模型的正確性和適用性，基于圖6所示的HIL仿真平臺，對電力牽引傳動的FPGA模型進行測試。具體系統(tǒng)參數(shù)配置見表 5。其中，逆變器要同時驅(qū)動四臺異步電機，脈沖整流器系統(tǒng)控制算法采用瞬態(tài)電流控制，調(diào)制算法采用SPWM。逆變器電機系統(tǒng)控制算法采用轉(zhuǎn)子磁場定向間接矢量控制，調(diào)制算法采用 SVPWM，低速區(qū)為異步調(diào)制，中高速區(qū)為分段同步調(diào)制。

表5　電力牽引傳動系統(tǒng)HIL仿真參數(shù)Tab.5 The HIL simulation parameters of an electrical drive system

圖7所示為單相整流器模型工作在不控整流狀態(tài)時網(wǎng)側(cè)電壓、電流仿真波形。以網(wǎng)側(cè)電壓 us＞0時為例說明：t＜t1時，udc＞us，二極管反向阻斷，整流器 a、b兩橋臂均未導(dǎo)通，is=0；t1＜t＜t2時，udc＜us，二極管VDr1、VDr4正向?qū)ǎ髌鱝橋上橋臂和b橋下橋臂導(dǎo)通，Ls正向充電，is增大；t2時刻，udc=us，is增至最大值，由于Ls續(xù)流作用，維持 VDr1、VDr4導(dǎo)通；t2＜t＜t3時，udc＞us，Ls持續(xù)放電，is減小；t3時刻，is減小為0，a、b兩橋臂變?yōu)殛P(guān)斷狀態(tài)。

圖8給出整流器在瞬態(tài)電流控制下，電壓與電流波形。由圖8可知，網(wǎng)側(cè)電流is正弦度高，與交流電壓us同頻同相位，整流器工作在單位功率因數(shù)下。ip為直流側(cè)輸出電流。

圖7　不控整流網(wǎng)側(cè)電壓與電流仿真波形Fig.7 Simulation waveforms of the main voltage and the line current in diode-rectification mode

圖8　瞬態(tài)電流控制下整流器網(wǎng)側(cè)和直流側(cè)電壓與電流波形Fig.8 Simulation waveforms voltage and current of AC side and DC side of rectifiers with transient current control

圖9 異步電機矢量控制全過程的定子電流、轉(zhuǎn)速、直流側(cè)電流和轉(zhuǎn)矩仿真波形Fig.9 Simulation waveforms of stator current, speed, DC-link current and torque of the asynchronous motor with vector control in the whole operations process

圖9給出了異步電機起動運行全過程的定子電流、轉(zhuǎn)矩、直流側(cè)電流和轉(zhuǎn)矩波形，其中給定轉(zhuǎn)子磁鏈ψs*=5Wb。t1時刻，給定轉(zhuǎn)速ωm*=200rad/s，電機帶載起動，輸出轉(zhuǎn)矩給定值 Te=3 000N·m，負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL=1 500N·m，電機勻加速起動，相電流 iu起動時電流幅值保持不變，頻率增大，電機輸入電流ip線性增加，能量由直流側(cè)傳導(dǎo)至電機側(cè)。t2時刻，電機達給定轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)矩Te=TL=1 500N·m。t3時刻，給定轉(zhuǎn)速改變?yōu)棣豰*=?50rad/s，輸出轉(zhuǎn)矩給定值Te=?2 000N·m，ωm勻減速變化，ip突變?yōu)樨?fù)值并呈上升趨勢變化。t4時刻，ωm達給定轉(zhuǎn)速，電機反轉(zhuǎn)，能量由電機側(cè)反饋回直流環(huán)節(jié)，ip由正變?yōu)樨?fù)并保持相對穩(wěn)定。t5時刻，TL變?yōu)?，Te迅速變?yōu)?，電機轉(zhuǎn)差也變?yōu)?，電機轉(zhuǎn)速有略微上升。

在電力牽引傳動系統(tǒng)中，受變流器體積及散熱器散熱能力限制，除異步調(diào)制外，往往在較高頻率范圍，引入分段同步調(diào)制、方波控制，在保證不超過發(fā)熱量限制值的前提下，降低電流諧波含量、抑制轉(zhuǎn)矩脈動。

圖10中給出了不同調(diào)制模式下，各過程的牽引電機三相電流波形。調(diào)制模式切換時，三相定子電流過渡平穩(wěn)，證明了FPGA電機模型在各種調(diào)制模式下都能正確穩(wěn)定工作。

圖10 不同調(diào)制模式過程中三相定子電流波形Fig.10 Simulation waveforms of three-phase stator current under different module modes

圖11對比不同實時仿真中CPU模型和FPGA模型整流器交流側(cè)電流的變化情況，說明FPGA模型運算速度上的優(yōu)勢。圖11a中，CPU模型運算步長為20μs，電流is呈階梯狀變化。對于開關(guān)信號Tr3、Tr4的窄脈沖，由于模型計算的延遲，is并未對其作出響應(yīng)，繼續(xù)增大。圖11b中，F(xiàn)PGA模型運算步長為1 μs，電流連續(xù)性更高。對于開關(guān)信號Tr3、Tr4的窄脈沖，is立即響應(yīng)變化。FPGA模型相對于傳統(tǒng)CPU模型提高了仿真計算速度。

圖11　電力牽引傳動系統(tǒng)的CPU模型與FPGA模型對比Fig.11 The comparison between CPU model and FPGA model of an electrical traction drive system

5 結(jié)論

本文以提升電力牽引傳動系統(tǒng)實時仿真速度為目標(biāo)，分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理，推導(dǎo)了開關(guān)邏輯函數(shù)，充分考慮了變流器過零點換流情況，并采用狀態(tài)方程對牽引傳動系統(tǒng)中的變流器及異步電機進行建模。通過System Generator工具將模型集成在FPGA芯片中，由于其高速并行的計算特性，實時仿真步長僅為1μs，相較于基于CPU的實時仿真，速度提高了一個數(shù)量級，避免了復(fù)雜的時間補償算法。實驗證明模型的正確性、可靠性。1μs的實時仿真步長提高了HIL仿真動態(tài)性能和仿真準(zhǔn)確度，降低了計算帶來的延遲。

本文對電力牽引傳動系統(tǒng)的建模方法具有普遍性。本文所構(gòu)建的模型包含了電阻、電感和電容等構(gòu)成電路的基本元件，單相及三相變換器，以及非線性的異步電機模型。建模思路和方法具有一定的借鑒和推廣價值。

[1] Pak L F, Faruque M O, Nie X, et al. A versatile cluster-based real-time digital simulator for power engineering research[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2006, 21(2): 455-465.

[2] 何舜, 張建文, 蔡旭. 風(fēng)電變流器的 RT-LAB硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2013, 41(23): 43-48. He Shun, Zhang Jianwen, Cai Xu. Realization and design of wind power converter model based on RT-LAB HIL system[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(23): 43-48.

[3] 李秋碩, 張劍, 肖湘寧, 等. 基于 RTDS 的機電電磁暫態(tài)混合實時仿真及其在 FACTS中的應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(3): 219-226. Li Qiushuo, Zhang Jian, Xiao Xiangning, et al. Electromechanical-electromagnetic transient realtime simulation based on RTDS and its application to FACTS[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(3): 219-226.

[4] 丁榮軍, 桂衛(wèi)華, 陳高華. 電力機車交流傳動系統(tǒng)的半實物實時仿真[J]. 中國鐵道科學(xué), 2008, 29(4): 96-102. Ding Rongjun, Gui Weihua, Chen Gaohua. HIL realtime simulation of electric locomotive AC drive system[J]. China Railway Science, 2008, 29(4): 96-102.

[5] 葛興來, 宋文勝, 馮曉云. 基于 dSPACE的高速列車牽引傳動系統(tǒng)[J]. 電力自動化設(shè)備, 2012, 32(3): 18-22. Ge Xinglai, Song Wensheng, Feng Xiaoyun. Drive system based on dSPACE platform for high-speed train[J]. Electric Power Automation Equipment, 2012, 32(3): 18-22.

[6] Jin H. Behavior-mode simulation of power electronic circuits[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1997, 12(3): 443-452.

[7] Kuffel P, Kent K, Irwin G. The implementation and effectiveness of linear interpolation within digital simulation[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 1997, 19(4): 221-227.

[8] 郭希錚, 游小杰, 徐從謙, 等. 大功率電力牽引控制系統(tǒng)硬件在回路實時仿真[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(4): 65-70.Guo Xizheng, You Xiaojie, Xu Congqian, et al. Simulation of hardware in loop for high-power electrical traction system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(4): 65-70.

[9] 邱大強, 李群湛, 舒澤亮, 等. 基于 FPGA 的綜合潮流控制器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2010, 38(24): 163-167. Qiu Daqiang, Li Qunzhan, Shu Zeliang, et al. Design and realization of integrated power flow controller based on FPGA[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38(24): 163-167.

[10] 羅德榮, 王耀南, 葛照強, 等. 級聯(lián)型高壓變頻器控制算法的研究及實現(xiàn)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2010, 25(1): 104-110. Luo Derong, Wang Yaonan, Ge Zhaoqiang, et al. Research and realization of control algorithm of cascaded high voltage converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(1): 104-來110.

[11] 趙耀, 趙庚申, 郭天勇, 等. 基于 SVPWM 低諧波死區(qū)算法的研究及應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2012, 40(8): 57-62. Zhao Yao, Zhao Gengshen, Guo Tianyong, et al. Research and application of low harmonics dead-time injection based on SVPWM[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(8): 57-62.

[12] 傅成駿. 軌道交通車輛交流傳動系統(tǒng)硬件在回路仿真技術(shù)進展[J]. 機車電傳動, 2009(3): 1-4. Fu Chengjun. Development of hardware-in-loop simulation technology for AC drive systems in rail vehicles[J]. Electric Drive for Locomotives, 2009(3): 1-4.

[13] 馬曉軍, 楊宗民, 劉春光, 等. 電力電子器件的實時仿真[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2013, 37(18): 108-112. Ma Xiaojun, Yang Zongmin, Liu Chunguang, et al. Real-time simulation of power electronic devices[J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(18): 108-112.

[14] Parma G G, Dinavahi V. Real-time digital hardware simulation of power electronics and drives[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2007, 22(2): 1235-1246.

[15] 馮曉云. 電力牽引交流傳動及其控制系統(tǒng)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2009.

[16] 宋文勝, 馮曉云, 侯黎明, 等. 電力牽引傳動系統(tǒng)的三電平直接轉(zhuǎn)矩控制算法的半實物實驗研究[J].電工技術(shù)學(xué)報, 2012, 27(2): 165-172. Song Wensheng, Feng Xiaoyun, Hou Liming, et al. Hardware-in-loop research of three-level direct torque control scheme for electric traction drive system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2012, 27(2): 165-172.

Microsecond Hardware-in-the-Loop Real-Time Simulation of Electrical Traction Drive System

Hao Qi Ge Xinglai Song Wensheng Feng Xiaoyun
（School of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 610031 China）

The structure and principle of electric traction drive system are analyzed, and a field-programmable gate array (FPGA) model is built for hardware-in-the-loop (HIL) simulation, to meet the demand of real-time high speed simulation. This model consists of a single-phase rectifier, the DC-link circuit, a three-phase two-level inverter and asynchronous motors. For the inverter and rectifier which include switching devices, logical expression functions are derived under different switching states. State equations and matrix equations are applied in modeling converters and asynchronous motors respectively. In addition, the mathematical model is integrated into the FPGA chip. The test on HIL simulation in the RT-LAB real-time simulator has verified this FPGA model. As a result, the simulation step decreases sharply, breaking the speed limit of general-purpose processor. The real-time HIL simulation method at microsecond level improves the response speed and accuracy of the electrical traction drive system modeling.

Field-programmable gate array, microsecond, hard-in-the-loop, electric traction drive system, real-time simulation, AC-DC-AC

郝 琦 男，1991年生，碩士研究生，研究方向為電力牽引交流傳動及其控制。

E-mail: curiouse@gmail.com

葛興來 男，1979年生，博士，副教授，研究方向為電力牽引系統(tǒng)控制及其故障檢測與診斷技術(shù)。

E-mail: xlgee@163.com（通信作者）

國家自然科學(xué)基金——高鐵聯(lián)合基金重點項目（U1134205）和國家自然科學(xué)基金（51207131、51277153）資助。

2014-02-21 改稿日期 2014-07-08