應(yīng)用實時仿真軟件開發(fā)電力電子系統(tǒng)的幾個實驗項目

馬紅梅，鄧永紅，甘金穎

(華北科技學院 電子信息工程學院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

建設(shè)傳統(tǒng)的電氣教學實驗室是一個非常具有挑戰(zhàn)性的工作，出于安全考慮進行實驗或科研一般會選用小功率實物系統(tǒng)或者軟件，但是交直流調(diào)速系統(tǒng)與電力電子技術(shù)基本都需要在電壓等級高、功率大、實驗危險的情況下實現(xiàn)才能符合實際；而利用軟件在電腦上做的純軟件仿真雖然可以模擬實際情況，但是因為沒有輸入輸出端口，不能真實的模擬和替代系統(tǒng)，同時也不能通過IO和控制器相連，局限性很多。因為設(shè)備的限制、安全的考慮及其固有設(shè)計模式，傳統(tǒng)的電氣教學實驗設(shè)備只能完成教學中幾個固定的實驗項目，擴展到教學中的全部交直流調(diào)速系統(tǒng)和電力電子系統(tǒng)有很大困難，就更不用說驗證交直流調(diào)速和電力電子中的各種高性能控制方法、策略，智能化控制、移相脈沖控制等。[1-10]

使用純軟件仿真教學很難讓學生對被控對象和控制方法有個直觀認識，讓學生的和認知學習停留于表面。而實時仿真平臺完全不同于純軟件仿真，使用實時仿真作為實驗教學，可以著重培養(yǎng)學生的操作能力、分析調(diào)試能力、設(shè)計和創(chuàng)新意識。[11，12]

對于交直流調(diào)速與電力電子技術(shù)教學和科研，研究實時仿真平臺有很好的實用意義和廣闊的市場與前景。[1-8]

1 實時仿真教學平臺

實時仿真平臺基本原理是用運行著數(shù)學模型的實時系統(tǒng)來模擬實際系統(tǒng)，通過真實的IO接口與外設(shè)備相連，既利用了通過軟件建模的靈活性，又可以替代實物系統(tǒng)?；贔PGA的實時仿真實驗系統(tǒng)用在教學實驗中，不僅能現(xiàn)實的模擬各種功率等級的直流調(diào)速和電力電子系統(tǒng)運行狀態(tài)，而且能讓學生在安全實驗環(huán)境動手操作，是完全區(qū)別于傳統(tǒng)電力電子教學的新型實驗方法。ModelingTech半實物仿真實驗系統(tǒng)能為本科生及研究生完成《電力系統(tǒng)中的電力電子》、《電力電子技術(shù)》 、《新能源發(fā)電技術(shù)》、《電機控制》等相關(guān)專業(yè)課、選修課的教學和實驗。[13-15]

仿真實驗系統(tǒng)如圖1所示，由四個組成部分，分別是：

(1) 控制機箱，含控制器，可實現(xiàn)電力電子仿真實驗的控制算法，可發(fā)出控制信號給仿真機箱，并且構(gòu)成閉環(huán)實驗系統(tǒng)，這一部分也可以用DSP控制板來代替，用于完成控制理論實驗的課程。

(2) 實時仿真機箱，可將用StarSim/Simulink建模環(huán)境搭建的電力電子電路系統(tǒng)和拓撲在機箱配置的FPGA硬件上進行準確的實時仿真，將被控對象的特性仿真出來并將響應(yīng)信號發(fā)送給控制側(cè)，完成實驗系統(tǒng)的閉環(huán)。

(3) 實驗轉(zhuǎn)接板，用在實現(xiàn)仿真?zhèn)扰c控制側(cè)之間的信號連接，同時轉(zhuǎn)接板上配備了BNC接口，學生可以通過示波器觀察每一路信號實時的波形情況。

(4) 示波器，方便觀察實際信號，以便對系統(tǒng)運行原理有更直觀的認識。

圖1 仿真實驗系統(tǒng)1—控制機箱；2—實時仿真機箱；3—實驗轉(zhuǎn)接板；4—示波器

仿真實驗系統(tǒng)的運行架構(gòu)如圖2所示。

仿真器和控制機箱是通過實驗轉(zhuǎn)接板來完成信號傳輸，控制機箱通過采集仿真電路模擬信號，然后通過算法計算同時實時發(fā)出控制數(shù)字信號；仿真器接收控制信號，并實時仿真出電路響應(yīng)同時輸出給控制機箱最終構(gòu)成仿真系統(tǒng)的閉環(huán)。其中，進行仿真實驗的電路拓撲通過StarSim Editor搭建可視化模型，并通過模型管理軟件StarSim HIL進行模型的IO接口配置，然后下載到仿真器實時運行；仿真實驗的控制算法和上位機運行界面運行在控制機箱上；實驗轉(zhuǎn)接板除了提供信號傳輸，外接示波器接在板上配置的BNC接頭上，實驗的時候進行真實信號觀測，獲得更為直接的實驗體會。

2 實時仿真實驗課程

通過實時仿真系統(tǒng)可實現(xiàn)如下實驗：

(1) 電力電子技術(shù)：①Boost電路實驗；②晶閘管整流實驗；③Buck電路實驗；④兩電平橋SPWM實驗；⑤H橋單/雙極性PWM控制實驗。

(2) 電力系統(tǒng)中的電力電子：并網(wǎng)型逆變器控制實驗。

(3) 新能源系統(tǒng)實驗：光伏系統(tǒng)MPPT實驗。

(4) 電機控制：永磁同步電機矢量控制實驗。

圖2 仿真實驗系統(tǒng)運行圖

ModelingTech電力電子方面的仿真實驗系統(tǒng)具有很好的開放性，除了可以做上面的8個實驗，還可以自行搭建電路拓撲和研究對象進行教學實驗的拓展，從而不斷完善學科的實驗教學建設(shè)。同時，實驗的開放性也可以使實驗課程實現(xiàn)用戶自定義，繼而擴展到更多的課程體系中去。[16-21]

3 Boost電路實驗

Boost電路是基本的DC-DC電路之一，它的功能是直流升壓，功能是能夠使輸出電壓高于輸入電壓。Boost電路具有電感電流斷續(xù)模式(DCM)和電感電流連續(xù)模式(CCM)，通過對此電路的仿真運行，學生能夠直觀地感受到在兩種模式下運行電流電壓波形的變化，更有利于對電路原理的認識以至理解，增加教學趣味性。

Boost電路實驗課程的教學目標如下：

(1) 了解Boost電路結(jié)構(gòu)組成及電路特性；

(2) 理解在連續(xù)和斷續(xù)兩種模式下，開關(guān)管占空比的變化對電路的影響；

(3) 熟悉二極管與開關(guān)管的動作特性；

(4) 自由調(diào)整電路參數(shù)，深入理解影響升壓斬波電路輸出的因素。

實驗內(nèi)容界面如圖3所示。

圖3 Boost實驗內(nèi)容界面

實驗操作界面如圖4所示。

圖4 Boost實驗操作界面

4 光伏系統(tǒng)MPPT實驗

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)主要包括斬波電路、光伏電池板、濾波器及逆變器等部分。通過硬件來實現(xiàn)整個實驗光電系統(tǒng)的成本很高，用在實驗和維護上所需要花費的時間精力都非常大。利用實時仿真則可以完美地呈現(xiàn)出真實系統(tǒng)的拓撲，可以比較容易地就實現(xiàn)光伏系統(tǒng)的運行和并網(wǎng)情況，方便學生更好學習和理解。

本實驗的教學目標如下：

(1) 理解光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的框架及各部分功能；

(2) 理解并網(wǎng)逆變基本控制原理和常用算法；

(3) 理解光伏電池輸出特性和最大功率點的追蹤的一般算法。

實驗運行界面如圖5所示。

圖5 光伏系統(tǒng)MPPT實驗界面圖

5 永磁同步電機矢量控制實驗

同步電機矢量控制實驗就是指通過坐標的變換及轉(zhuǎn)子磁鏈的定向，將定子電流矢量分解成轉(zhuǎn)矩電流分量及勵磁電流分量，實現(xiàn)磁通控制和轉(zhuǎn)矩控制。電機學學習中的難點是矢量控制，但是通過仿真實驗就能讓學生更直觀認識矢量控制下的轉(zhuǎn)矩電流分量以及轉(zhuǎn)矩、勵磁電流分量的變化。把理論和實驗結(jié)果結(jié)合，相互印證這樣有利于學生對知識的深入理解。

本實驗的教學目標如下：

(1) 理解永磁同步電機控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)；

(2) 理解矢量控制的基本原理和作用；

(3) 理解電機參數(shù)的變化對電機控制效果的影響；

(4) 理解矢量控制算法參數(shù)變化對電機控制效果的影響。

實驗運行界面如圖6所示。

圖6 永磁同步電機矢量控制實驗界面圖

6 結(jié)論

(1) 實時仿真平臺應(yīng)用范圍非常廣，如變流器相關(guān)的新能源發(fā)電及并網(wǎng)技術(shù)、電力電子技術(shù)、常用電機控制技術(shù)等，如果融合到課程設(shè)計將有很大的靈活性。

(2) 學生不僅能接觸實際控制設(shè)備，還能動手設(shè)計、連接、調(diào)試同時通過示波器觀察仿真?zhèn)然蚩刂苽?cè)的真實信號。

(3) 學生可在安全的環(huán)境下模擬，自主創(chuàng)建各功率等級的電力電子系統(tǒng)拓撲和進行實驗研究，有助于理論知識的學習與理解。

(4) 學生可在各種模擬系統(tǒng)情況下學習體驗電力電子控制系統(tǒng)，比如電網(wǎng)的短路故障和干擾情況等，有利于獲得更接近實際的學習體驗。

基于實時仿真實驗系統(tǒng)能夠?qū)崟r引進該領(lǐng)域在全球最先進的理念和技術(shù)，支持研究型、設(shè)計型創(chuàng)新實驗的開展，適應(yīng)卓越工程師和創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)的需要；提供產(chǎn)、學、研一體化的校企合作平臺，同時為不同的科研領(lǐng)域和前沿方向，培養(yǎng)適應(yīng)行業(yè)需要的具有實踐動手能力和創(chuàng)新精神的復合型工程技術(shù)人才。