基于RT-LAB的逆變器并聯(lián)HIL實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

劉軼強(qiáng)

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基于RT-LAB的逆變器并聯(lián)HIL實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

劉軼強(qiáng)

（海軍駐武漢地區(qū)軍事代表局，武漢 430064）

逆變器并聯(lián)組網(wǎng)運(yùn)行是新型船舶電力系統(tǒng)的典型工況，近年來(lái)逐漸成為研究熱點(diǎn)。為了便于開(kāi)展逆變器并聯(lián)控制策略研究，本文基于RT-LAB建立了逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，針對(duì)逆變器并聯(lián)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)仿真研究，實(shí)時(shí)仿真與物理試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比表明，本文所建立的逆變器并聯(lián)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)能夠有效反映系統(tǒng)運(yùn)行特性。

HIL 實(shí)時(shí)仿真 逆變器并聯(lián)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化程度的日益提高，船舶運(yùn)輸在各種運(yùn)輸方式中的任務(wù)越來(lái)越重。如何實(shí)現(xiàn)船舶發(fā)電機(jī)的高效率、低碳排放，受到船舶運(yùn)輸行業(yè)的密切關(guān)注。船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以其高效率、低能耗、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，逐漸在船舶運(yùn)輸行業(yè)中得以應(yīng)用[2]。

隨著電力電子技術(shù)的廣泛發(fā)展和應(yīng)用，一種使用PWM變流器的新型船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)[1]，逐漸在船舶設(shè)計(jì)制造中得到應(yīng)用。這種新型船舶軸帶發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的核心問(wèn)題是逆變器之間的并聯(lián)以及逆變器與柴油發(fā)電機(jī)之間的并聯(lián)技術(shù)。逆變器并聯(lián)技術(shù)從發(fā)展以來(lái)主要有集中控制策略、主從控制策略、下垂控制策略[3-5]等。

對(duì)于大容量多逆變器并聯(lián)系統(tǒng)，由于物理實(shí)驗(yàn)客觀上的復(fù)雜性，直接將待驗(yàn)證的新型控制算法用于樣機(jī)電路中進(jìn)行物理試驗(yàn)的時(shí)間、經(jīng)濟(jì)成本較高，而且存在一定技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為了便于開(kāi)展逆變器并聯(lián)控制策略研究，本文基于商業(yè)化實(shí)時(shí)仿真軟件RT-LAB，構(gòu)建了逆變器并聯(lián)的硬件在環(huán)（Hardware in the Loop，HIL）實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，搭建逆變器并聯(lián)的電路模型，結(jié)合外部的實(shí)際控制器，進(jìn)行了逆變器并聯(lián)的實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)。

1 逆變器并聯(lián)電路拓?fù)渑c建模

本文的研究對(duì)象為典型三相三橋臂逆變器電路。該逆變電路主要由直流電源、三相兩電平逆變橋、直流電容、LCL濾波器等部分組成。兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)的電路拓?fù)淙鐖D1所示，m、f和g組成三階濾波器。以逆變器的負(fù)載電流作為擾動(dòng)輸入對(duì)逆變器進(jìn)行建模，可列寫(xiě)電路方程如式（1）。

將式（1）經(jīng)過(guò)Clarke變換、Park變換和Laplace后可得方程：

（2）

圖1 兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)電路拓?fù)?/p>

圖2 逆變器并聯(lián)HIL實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2 HIL實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

逆變器并聯(lián)實(shí)時(shí)仿真的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由逆變器底層控制器及其上位機(jī)，RT-LAB仿真機(jī)及其上位機(jī)，實(shí)時(shí)仿真接口板等部分組成。實(shí)驗(yàn)室配備的RT-LAB仿真機(jī)為OP5600型機(jī)架。其中OP5600仿真機(jī)及其上位機(jī)用于模擬和計(jì)算逆變器并聯(lián)的電路模型；底層控制器及其上位機(jī)用于接收模擬信號(hào)，控制產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)脈沖。接口板用于實(shí)現(xiàn)仿真機(jī)和控制器之間的數(shù)字量和模擬量的接口通訊。

2 HIL實(shí)時(shí)仿真模型

基于商業(yè)化實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)RT_LAB，設(shè)計(jì)了逆變器并聯(lián)試驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真模型，模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

該實(shí)時(shí)仿真模型主要由兩個(gè)模塊組成：

SC_console模塊功能為逆變器并聯(lián)斷路器的投入控制、加減載控制以及參與控制回路的電壓電流模擬量監(jiān)測(cè)，該模塊在RT-LAB的上位機(jī)CPU中運(yùn)行。

圖3 HIL實(shí)時(shí)仿真模型結(jié)構(gòu)圖

SM_IO模塊主要為逆變器之間并聯(lián)的電路模型、參與控制的電路模擬量輸出以及控制器的數(shù)字控制脈沖輸入。SM_IO模塊內(nèi)部的電路模型及其與底層控制器之間的接口聯(lián)系如圖4所示。該模塊內(nèi)部的電路模型經(jīng)過(guò)RT-LAB編譯后下載到OP5600仿真機(jī)的CPU中計(jì)算運(yùn)行。途中紅色虛線所示部分2A_TSDI為HIL實(shí)時(shí)仿真模型的數(shù)字輸入模塊，Aout_1#和Aout_2#分別為1號(hào)逆變器和2號(hào)逆變器（待并聯(lián)逆變器）模型的模擬輸出模塊，仿真模型的數(shù)字輸入模塊和模擬輸出模塊與OP5600仿真機(jī)的IO端口相對(duì)應(yīng)，再通過(guò)數(shù)字量輸入接口板和模擬量輸出接口板實(shí)現(xiàn)與控制器的通訊，從而構(gòu)成實(shí)時(shí)仿真回路。

3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果驗(yàn)證

基于所搭建的逆變器并聯(lián)實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了虛擬同步發(fā)電機(jī)控制策略的逆變器并聯(lián)HIL實(shí)時(shí)仿真。

圖5所示為兩臺(tái)三相逆變器并聯(lián)的HIL實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片，三相逆變器電路的主要電路參數(shù)如表1所示。根據(jù)式（3）計(jì)算有功功率和無(wú)功功率的分配差度。

表1 逆變器電路主要參數(shù)

逆變器并聯(lián)系統(tǒng)采用基于公共電電壓反饋的下垂控制策略[7]。實(shí)時(shí)仿真模型編譯運(yùn)行后，由1號(hào)和2號(hào)逆變器的上位機(jī)先后發(fā)出空載運(yùn)行的指令，2號(hào)逆變器上位機(jī)發(fā)出指令進(jìn)行整步達(dá)到同步狀態(tài)。HIL上位機(jī)操作Q1合閘，兩臺(tái)逆變器進(jìn)入空載并聯(lián)狀態(tài)；操作Q2合閘，突加至50%負(fù)載；操作Q3合閘，突加至滿載狀態(tài)。待采集到每個(gè)狀態(tài)階段的輸出電壓電流波形后，再分別操作Q3、Q2分閘，采集由滿載突卸至50%負(fù)載、50%負(fù)載突卸至空載工況下的輸出電壓電流波形。圖6所示為示波器顯示的波形，其中CH3、CH4、CH5、CH6分別為1號(hào)逆變器輸出相電壓Uab、Ubc、輸出相電流Ia、Ib的波形，CH7、CH8、CH9、CH10分別為2號(hào)逆變器輸出相電壓Uab、Ubc、輸出相電流Ia、Ib的波形。仿真模型的模擬輸出到示波器通道的輸出變比如表2所示。

表2 示波器模擬輸出通道變送比

將逆變器并聯(lián)運(yùn)行的物理試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)時(shí)仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證所建立的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。限于篇幅，本文只列出了并聯(lián)滿載穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的物理試驗(yàn)波形，如圖7所示。表3所示為實(shí)時(shí)仿真和物理試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比。

根據(jù)圖6、圖7、表3可知，實(shí)時(shí)仿真和物理試驗(yàn)的結(jié)果能夠較好的對(duì)應(yīng)，誤差在可接受的范圍內(nèi)，且輸出電壓THD可以控制在4%以內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的均分，可以滿足逆變器的并聯(lián)要求，表明實(shí)時(shí)仿真可以有效地反映逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。物理試驗(yàn)受實(shí)際場(chǎng)地的電磁環(huán)境、線路損耗、測(cè)量設(shè)備條件等因素的影響，造成試驗(yàn)結(jié)果的一定誤差，此外實(shí)時(shí)仿真的模型比較理想，不過(guò)由于仿真機(jī)運(yùn)算性能、仿真機(jī)與控制器之間的通訊延時(shí)等因素也會(huì)造成仿真結(jié)果的誤差。

圖5 逆變器并聯(lián)HIL實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片

圖6 逆變器并聯(lián)HIL實(shí)時(shí)仿真滿載穩(wěn)態(tài)時(shí)的示波器輸出波形

表3 實(shí)時(shí)仿真與物理試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于RT-LAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，搭建了2臺(tái)三相逆變器并聯(lián)的HIL實(shí)時(shí)仿真模型，構(gòu)建了HIL實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)，對(duì)兩逆變器并聯(lián)運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行了半實(shí)物仿真。與物理試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明所搭建的HIL實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)可以有效地反映逆變器并聯(lián)系統(tǒng)的運(yùn)行特性。后續(xù)還將開(kāi)展逆變器與虛擬同步發(fā)電機(jī)并聯(lián)系統(tǒng)性能的實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)研究。

（a）1號(hào)輸出電壓波形

（b）1號(hào)輸出電流波形

（c）2號(hào)輸出電壓波形

（d）2號(hào)輸出電流波形

圖7 1號(hào)和2號(hào)逆變器滿載并聯(lián)運(yùn)行波形

[1] Technical specification on 180K BC shaft altemator system in PWM technology output power 900 kW for Qingdao Beihai Shipbuilding HI Co．, Ltd. & ESHIP, AbuDhabi, UAE, GMBH［S］．SAM Electronics，2012．

[2] 侯暢武, 揭貴生, 林克文, 賀云南. 基于虛擬同步發(fā)電機(jī)原理的逆變器控制策略與仿真[J]. 通信電源技術(shù), 2016, (05): 5-9.

[3] 肖嵐, 胡文斌, 蔣渭忠. 基于主從控制的逆變器并聯(lián)系統(tǒng)研究[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 32（1）: 133-137.

[4] 張丹紅, 李樂(lè), 劉開(kāi)培.無(wú)互聯(lián)線逆變器并聯(lián)控制的一種改進(jìn)下垂算法[J]. 武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）,2006, 39(5): 97-101.

[5] 曾晗．模塊化光伏逆變器的集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．武漢: 華中科技大學(xué), 2010．

[6] 丁明, 楊向真, 蘇建徽．基于虛擬同步發(fā)電機(jī)思想的微電網(wǎng)逆變電源控制策略[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2009, 33(8): 89-93．

[7] 邵明生. 三相逆變器并聯(lián)下垂控制策略的研究[D]. 海軍工程大學(xué), 2015.

Experimental Platform Design of Three-level H-bridge DC/DC Converter Through RCP Real-time Simulation

Liu Yiqiang

(Naval Representatives Office in Wuhan, Wuhan 430064, China)

TM461

A

1003-4862（2017）06-0059-05

2017-05-15

劉軼強(qiáng)(1974-)，男，工程師。研究方向:電氣工程。Email: lytftiger@163.com