電力電子HIL教學(xué)平臺設(shè)計

唐 欣， 席燕輝， 王 文

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙，410014)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的發(fā)、輸、配和用等各個環(huán)節(jié)，“電力電子技術(shù)”課程已成為電氣工程及其自動化專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程[1～2]?！半娏﹄娮蛹夹g(shù)”課程是一門工程性很強(qiáng)的課程，實驗教學(xué)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的電力電子實驗教學(xué)設(shè)備提供的實驗以驗證性為主，不能提供PWM變流器并網(wǎng)和相控變流器有源逆變等實驗，難以滿足解決復(fù)雜工程問題能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，也無法滿足學(xué)生掌握電力新技術(shù)的要求[3～4]。

為降低成本和減少開發(fā)時間，近年來，硬件在環(huán)HIL(hardware in loop)技術(shù)迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)研究、自動裝置開發(fā)等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[5]中采用RT-LAB搭建燃料電池/超級電容混合動力系統(tǒng)HIL控制結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)[6]采用dSPACE設(shè)計了永磁同步電機(jī)控制器的HIL實驗平臺，改善測試調(diào)節(jié)；文獻(xiàn)[7]中搭建了基于RTDS的風(fēng)電場接入串補輸電系統(tǒng)實時仿真HIL系統(tǒng)，用于網(wǎng)側(cè)次同步阻尼控制器抑制次同步諧振；文獻(xiàn)[8]中一汽集團(tuán)采用NI硬件搭建HIL系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到整車系統(tǒng)，測試效率大幅提高，并且降低了汽車售后的電氣故障發(fā)生率和返修率；文獻(xiàn)[9]中基于PXI設(shè)計了BMS硬件在環(huán)測試系統(tǒng)，確保BMS產(chǎn)品設(shè)計過程的安全性、穩(wěn)定性和可靠性分析。

上述HIL技術(shù)主要用于研究和產(chǎn)品開發(fā)，往往需要高速采集卡和I/O接口板，成本較高而不適用于本科實驗教學(xué)。當(dāng)前高校符合電力電子實驗教學(xué)的平臺研發(fā)較少，文獻(xiàn)[10] 針對電力電子與電力傳動方向設(shè)計了一種DSP28335作為控制器的硬件在環(huán)教學(xué)實驗平臺，但仍需要采集和接口電路。為加強(qiáng)培養(yǎng)本科生的解決復(fù)雜工程問題能力和創(chuàng)新思維，本文針對電力電子技術(shù)實驗教學(xué)設(shè)計了一種基于Simulink的硬件在環(huán)實驗平臺。該平臺設(shè)計了串行通信接口，用于仿真部分與物理部分之間的數(shù)據(jù)交換，取代了傳統(tǒng)電力電子HIL平臺所需的FPGA板、采樣板和I/O板等信號接口。為了方便開展不同復(fù)雜對象的實驗，并降低安全風(fēng)險，主電路的控制器是物理實現(xiàn)的，系統(tǒng)的其余部分(包括與電網(wǎng)或負(fù)載相連的電力電子電路)在MATLAB的Simulink中進(jìn)行了仿真。此外，針對本科生的學(xué)習(xí)特點，為學(xué)生提供了模塊化控制程序設(shè)計及代碼自動生成的開發(fā)環(huán)境。

1 電力電子HIL教學(xué)平臺設(shè)計

1.1 平臺的結(jié)構(gòu)

電力電子HIL教學(xué)平臺如圖1所示。

圖1 電力電子HIL教學(xué)平臺結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)由上位機(jī)、控制板、DSP仿真器和串行通信電路組成。上位機(jī)用于運行電力電子系統(tǒng)的功率電路，控制板用于運行電力電子系統(tǒng)控制算法， DSP仿真器用于基于Simulink生成的程序下載，串行通信電路用于硬件在環(huán)運行時主電路部分與控制部分之間的數(shù)據(jù)交換。

1.2 平臺軟硬件組成

上位機(jī)相關(guān)的軟件有Matlab/Simulink和CCS，其中，Simulink實現(xiàn)控制代碼的自動生成，并在硬件在環(huán)仿真實驗時仿真主電路的運行情況?？刂瓢褰Y(jié)構(gòu)圖如圖2所示，包括主控芯片TMS320F28335、串行通信電路、JTAG口及其它片外資源，其中，TMS320F28335是目前電力電子裝置主流的控制芯片，串行通信電路是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232通信接口，JTAG口用于程序下載。

圖2 控制電路結(jié)構(gòu)圖

1.3 仿真實驗步驟

(1)在Simulink中建立電力電子系統(tǒng)的數(shù)字仿真模型。

(2)根據(jù)DSP芯片類型配置MATLAB軟件的編譯參數(shù)。

(3)將控制算法封裝在一個子系統(tǒng)模塊中，并將其部署到硬件上，生成一個HIL模塊。

(4)用HIL模塊代替原有的控制算法子系統(tǒng)模塊。

(5)配置計算機(jī)的串行端口，并在MATLAB軟件中設(shè)置該端口。

(6)在Simulink環(huán)境下運行HIL模型(該操作自動完成：由Simulink生成控制算法代碼并通過DSP仿真器下載到控制器中，以及電力電子系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真實驗。在仿真實驗中，主電路在Simulink中模擬運行并將主電路的電壓、電流信號通過串行通信傳送給控制板，同時控制器的產(chǎn)生的控制信號也傳送給Simulink中的主電路。)

2 仿真實驗?zāi)Ｐ偷拇罱ㄅc測試

電力電子HIL教學(xué)平臺不僅可以實現(xiàn)AC-DC、DC-DC、AC-AC和DC-AC基本電能變換的仿真實驗，而且可以開展復(fù)雜系統(tǒng)的高階實驗，電力電子HIL教學(xué)實驗室如圖3所示。

圖3 電力電子HIL教學(xué)實驗室

本文根據(jù)解決復(fù)雜工程問題能力的培養(yǎng)要求，以三相PWM逆變電路為例，介紹利用電力電子HIL教學(xué)平臺實施實驗教學(xué)的案例，表1給出該實驗的教學(xué)目標(biāo)。

表1 逆變電路仿真實驗的教學(xué)目標(biāo)

基于HIL仿真的三相PWM逆變電路實驗要求學(xué)生在Simulink中搭建并網(wǎng)逆變主電路和控制系統(tǒng)代碼模型，采用電力電子HIL教學(xué)平臺構(gòu)成處理器在環(huán)系統(tǒng)，實現(xiàn)三相逆變器并網(wǎng)電流有功、無功的分別控制。該實驗教學(xué)內(nèi)容主要包括：

(1)三相PWM逆變電路SPWM調(diào)制方法、閥側(cè)電壓調(diào)節(jié)方法；

(2)三相PWM并網(wǎng)逆變電路電流控制原理，包括鎖相方法、參考電流生成方法、電流控制方法；

(3)三相PWM并網(wǎng)逆變電路電流解耦控制方法，包括DQ變換方法、并網(wǎng)電流解耦原理，解耦控制方法；

(4)搭建三相PWM并網(wǎng)逆變電路離線仿真模型，實現(xiàn)并網(wǎng)電流有功、無功解耦控制；

(5)搭建三相PWM并網(wǎng)逆變電路HIL仿真實驗?zāi)Ｐ停瑢崿F(xiàn)處理器在環(huán)控制系統(tǒng)。

2.1 模型搭建

1)在Simulink中搭建全數(shù)字模型

一個典型三相PWM逆變器的Simulink仿真模型如圖4所示,主要包括逆變橋電路、控制電路和LC低通濾波電路三部分。逆變橋?qū)⒅绷麟娏鬓D(zhuǎn)換成交流電流并通過LC電路濾除諧波給負(fù)荷供電。在控制電路中，采用基于PI算法的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生PWM波形。此外，電流測量塊和電壓測量塊用于測量交、直流的電流和電壓。

圖4 三相PWM逆變電路全數(shù)字仿真模型

圖5 三相PWM逆變電路HIL模型

2) HIL的實現(xiàn)

在Simulink中對所設(shè)計的模型進(jìn)行測試后，需要將控制算法封裝在一個子系統(tǒng)模塊中，并部署到硬件上，生成一個HIL模塊。控制算法的HIL模塊可以通過單擊圖4中的控制算法子系統(tǒng)模塊來創(chuàng)建(具體操作為右擊子系統(tǒng)模塊，在下拉菜單中選擇“C/C++ code”條目中“Deploy this Subsystem to Hardware”條目)，該操作實現(xiàn)了代碼生成和編譯。最后，用控制算法的HIL模塊替換原始子系統(tǒng)模塊，生成HIL模型如圖5所示。

2.2 仿真實驗結(jié)果

對上述全數(shù)字仿真模型和HIL模型分別進(jìn)行測試。圖6(a)和(b)分別給出了基于全數(shù)字仿真方式和HIL方式三相PWM逆變器的輸出電壓波形。

(a)全數(shù)字仿真方式

(b)HIL方式圖6 三相PWM逆變電路的輸出電壓波形

圖7(a)和(b)分別給出了啟動過程中逆變器輸出的線電壓和電流的波形，圖中實線表示基于全數(shù)字方式逆變電路產(chǎn)生的波形，虛線表示基于HIL方式逆變電路產(chǎn)生的波形。從圖中可也看出電力電子HIL教學(xué)平臺可以有效開展電力電子教學(xué)工作。

通過該實驗的實施可以加深學(xué)生對三相電壓源型變流器輸出電壓波形、SPWM調(diào)制原理等基礎(chǔ)知識的理解，還能促進(jìn)學(xué)生對控制理論、電力系統(tǒng)功率傳輸理論等知識的交叉融合，并能在解決并網(wǎng)電流有功無功分量解耦問題的過程中培養(yǎng)學(xué)生的解決復(fù)雜工程問題的能力。

3 結(jié)語

為提高電力電子技術(shù)課程的實驗教學(xué)水平和教學(xué)效果，設(shè)計了一種基于Simulink的HIL教學(xué)平臺，該平臺設(shè)計了串行通信接口，用于仿真部分與物理部分之間的數(shù)據(jù)交換。該接口取代了傳統(tǒng)電力電子HIL平臺中昂貴的信號接口。主電路的控制器是物理實現(xiàn)的，其余部分在MATLAB的Simulink中進(jìn)行仿真?？刂扑惴▽崿F(xiàn)和下載到控制板可以在Simulink中快速完成。該平臺不僅支持AC-DC、DC-DC、AC-AC和DC-AC基本變換的實驗，還可以開展復(fù)雜電力電子系統(tǒng)的設(shè)計和實驗，可支撐本科生的解決復(fù)雜工程能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)。

(a)AB相的線電壓

(b)A相電流圖7 啟動過程中逆變電路輸出的電壓和電流波形