導(dǎo)語：電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：將課堂理論教學(xué)與軟件仿真、實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合是改善教學(xué)效果的有效途徑之一。設(shè)計(jì)了一款基于RT-LAB的電力電子系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)，以此將虛擬仿真教學(xué)和實(shí)物實(shí)驗(yàn)手段有機(jī)融入課程教學(xué)進(jìn)程，并以三相四線制逆變器電路為例，介紹了教學(xué)的過程與步驟。教學(xué)實(shí)踐表明，電力電子系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)的使用有效地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，對(duì)教學(xué)質(zhì)量以及學(xué)習(xí)效果的提高起到了積極的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：RT-LAB；半實(shí)物仿真系統(tǒng)；三相四線制逆變器；MatLab/Simulink

1研究背景

電力電子技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電力行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，而我國電力電子相關(guān)技術(shù)人員卻一直較為缺乏，如何通過高效的電力電子技術(shù)課程教學(xué)培養(yǎng)高素質(zhì)研發(fā)人員已成為當(dāng)前高校亟待解決的現(xiàn)實(shí)問題。在電力電子技術(shù)課程教學(xué)過程中，目前主要是采用模態(tài)分析、波形分析以及理論分析法對(duì)學(xué)生進(jìn)行講授，很多學(xué)生從未接觸過電力電子變換器實(shí)物，因此在整個(gè)教學(xué)過程中，學(xué)生處于被動(dòng)學(xué)習(xí)的狀態(tài)，學(xué)習(xí)過程比較枯燥，最終導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效果不理想[1-2]。近年來，不少高校將MatLab/Simulink引入電力電子課程，采取了在傳統(tǒng)教學(xué)模式中加入仿真軟件的內(nèi)容，提升學(xué)生對(duì)課堂知識(shí)的掌握程度。但鑒于學(xué)生需要對(duì)產(chǎn)品工作過程和構(gòu)建過程的感官了解，所以僅依靠上述理論教學(xué)和軟件仿真的教學(xué)手段仍然很難達(dá)到理想的教學(xué)效果。部分高校采購了相關(guān)電力電子實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行教學(xué)[3-5]，但其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)落后，基本都是以晶閘管等半控型設(shè)備的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為主，很難滿足當(dāng)前電力電子技術(shù)課程教學(xué)的要求。此外，由于電力電子設(shè)備的控制算法以及主電路均已固化到實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容固定且難以擴(kuò)展，學(xué)生參與度低，不利于調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。因此，若能讓學(xué)生在接觸到電力電子變換器實(shí)物的同時(shí)，又能針對(duì)具體的電力電子變換器主電路對(duì)控制算法進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)，則可以調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而得到較好的教學(xué)效果[6-8]。因此，本文利用MatLab/Simulink虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)思想，設(shè)計(jì)了一款基于RT-LAB仿真機(jī)的電力電子變換器半實(shí)物仿真平臺(tái)，并基于該仿真平臺(tái)對(duì)電力電子技術(shù)課程教學(xué)過程進(jìn)行了重新規(guī)劃、設(shè)計(jì)，以期能為電力電子技術(shù)的教學(xué)提供一種新的方法與思路。

2半實(shí)物仿真系統(tǒng)及其仿真原理

一個(gè)完整的電力電子系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含兩部分功能模塊：一是電力電子變換器主電路；二是對(duì)主電路進(jìn)行控制的控制器模塊。半實(shí)物仿真系統(tǒng)是指系統(tǒng)中某功能模塊由計(jì)算機(jī)虛擬仿真實(shí)現(xiàn)，而另一功能模塊則由具體的實(shí)物電路實(shí)現(xiàn)。就電力電子系統(tǒng)的半實(shí)物仿真系統(tǒng)而言又分為以下兩種情況。2.1快速控制原型(RapidControlPrototype，RCP)RCP采用“虛擬控制器+實(shí)際被控對(duì)象”的模式，即電力電子變換器主電路由實(shí)物電路實(shí)現(xiàn)，而控制算法在MatLab/Simulink等仿真軟件中進(jìn)行仿真調(diào)試，調(diào)試通過后將相關(guān)算法下載至仿真主機(jī)運(yùn)行，由仿真主機(jī)代替單片機(jī)或DSP等控制器對(duì)主電路進(jìn)行控制。2.2硬件在環(huán)仿真(HardwareintheLoop，HIL)HIL采用“實(shí)際控制器+虛擬被控對(duì)象”的模式，即電力電子變換器主電路在MatLab/Simulink等仿真軟件中建模、調(diào)試，調(diào)試通過后將數(shù)學(xué)模型下載至仿真機(jī)，由仿真機(jī)虛擬實(shí)際電路，而控制器由單片機(jī)系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)，最終單片機(jī)或DSP系統(tǒng)與仿真主機(jī)進(jìn)行聯(lián)合仿真。對(duì)于控制器而言，其效果等同于控制一個(gè)實(shí)際的變換器主電路。硬件在環(huán)(HIL)技術(shù)在工業(yè)電力電子與電力傳動(dòng)領(lǐng)域越來越受到重視，廣泛應(yīng)用于智能微網(wǎng)、MMC模塊變頻器以及電力儲(chǔ)能等大功率場合，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)控制算法快速驗(yàn)證和產(chǎn)品控制器的快速研發(fā)。RT-LAB是由加拿大Opal-RT公司推出的一套專門針對(duì)電力系統(tǒng)、電力電子以及電力拖動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)。該平臺(tái)可與MatLab/Simulink無縫對(duì)接，運(yùn)行過程中可在上位機(jī)MatLab/Simulink中對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整并實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)時(shí)可通過轉(zhuǎn)接板觀察仿真機(jī)與實(shí)物電路之間的實(shí)際物理信號(hào)，從而對(duì)電力電子系統(tǒng)的工作原理與運(yùn)行特性有更直觀、深刻的理解。該特點(diǎn)十分適合于電力電子系統(tǒng)工作原理與相關(guān)控制算法的仿真、測試以及演示，因此基于RT-LAB仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)電力電子技術(shù)課程的教學(xué)與實(shí)踐具有較強(qiáng)的可行性。應(yīng)用RT-LAB進(jìn)行半實(shí)物仿真教學(xué)，主要有三種模式。一是全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真模式。該模式直接在MatLab/Simulink中對(duì)電力電子變換器主電路以及對(duì)應(yīng)控制算法進(jìn)行建模并調(diào)試，調(diào)試通過后將相關(guān)模型進(jìn)行編譯并下載至RT-LAB主機(jī)中進(jìn)行仿真。在仿真步長不大于10μs時(shí)，RT-LAB可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，從而使得學(xué)生對(duì)電力電子系統(tǒng)的響應(yīng)特性具有較直觀的認(rèn)識(shí)。二是功率硬件在環(huán)仿真模式(PowerHardwareintheLoop，PHIL)。PHIL在國際上已經(jīng)有了廣泛的研究和應(yīng)用。該模式下，RT-LAB仿真機(jī)根據(jù)所收到的控制器信號(hào)對(duì)Simulink中的虛擬電力電子器件進(jìn)行開關(guān)控制并將主電路的電壓電流等信號(hào)反饋至外部真實(shí)控制器。其缺點(diǎn)是，針對(duì)不同拓?fù)潆娐沸枰O(shè)計(jì)不同控制算法，而DSP/FPGA的算法實(shí)現(xiàn)過程較復(fù)雜，因此該模式主要適用于智能電網(wǎng)、多電平變換器等大功率應(yīng)用場景。三是功率級(jí)的快速控制原型開發(fā)模式(PowerRapidControlPrototype，PRCP)。該模式下，電力電子變換器主電路為實(shí)物電路，而對(duì)應(yīng)的控制邏輯則可在MatLab/Simulink中實(shí)現(xiàn)并下載到RT-LAB仿真機(jī)，隨后RT-LAB仿真機(jī)運(yùn)行對(duì)應(yīng)控制算法以此控制實(shí)物電路。由于控制算法是在MatLab/Simulink中實(shí)現(xiàn)，該種模式適用于需要對(duì)控制算法頻繁修改、調(diào)試，而主電路拓?fù)浔３植蛔兊那闆r。電力電子課程教學(xué)過程中所涉及的主電路拓?fù)洳欢?，學(xué)習(xí)重點(diǎn)在于電路拓?fù)涞墓ぷ髟砗涂刂品绞?，選擇PRCP模式既可以讓學(xué)生直接接觸到電力電子變換器主電路，又可以在學(xué)生所熟悉的MatLab/Simulink環(huán)境中進(jìn)行算法驗(yàn)證，因此本文選用該模式進(jìn)行電力電子技術(shù)課程的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)。

3基于RT-LAB系統(tǒng)半實(shí)物仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

RT-LAB半實(shí)物仿真教學(xué)平臺(tái)硬件部分包括電力電子變換器主電路、半導(dǎo)體功率器件驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、電平轉(zhuǎn)換電路、模擬信號(hào)調(diào)理電路以及RT-LAB仿真主機(jī);軟件部分則包括電力電子變換器控制算法(基于MatLab/Simulink實(shí)現(xiàn))以及由Opal-RT公司開發(fā)的專門用于電力電子仿真的ARTEMIS，RTE-Drive和RT-Events等仿真工具箱。仿真教學(xué)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中OP5330，OP5340，OP5354，OP5353分別為16位模擬輸出板卡、16位模擬輸入板卡、32位數(shù)字輸出板卡以及32位數(shù)字輸入板卡。ARTEMIS，RTE-Drive和RT-Events等仿真工具箱可與MatLab/Simulink實(shí)現(xiàn)無縫對(duì)接，可將MatLab/Simulink中所搭建的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模型優(yōu)化、分割、編譯以及實(shí)時(shí)化處理，并將編譯后的代碼下載至仿真主機(jī)中進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行。半實(shí)物仿真平臺(tái)仿真流程如圖2所示。

4電力電子系統(tǒng)半實(shí)物仿真的實(shí)現(xiàn)

圖3所示為三相四線制逆變器主電路拓?fù)?，該拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、不間斷供電系統(tǒng)(UninterruptiblePowerSepply，UPS)、新能源發(fā)電以及智能電網(wǎng)等系統(tǒng)中，是電力電子技術(shù)課程中極其重要的一類電路拓?fù)?。下面以該電路為例，說明RT-LAB系統(tǒng)半實(shí)物仿真教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用過程。圖3　三相四線制逆變器電路結(jié)構(gòu)電力電子技術(shù)課程的學(xué)習(xí)難點(diǎn)在于電路拓?fù)涞墓ぷ髟?。具體對(duì)于三相四線制逆變器電路而言，其教學(xué)難點(diǎn)在于逆變電路的調(diào)制方法與反饋控制算法?；诖?，教學(xué)重點(diǎn)在于調(diào)制算法與反饋環(huán)路的設(shè)計(jì)，而電力電子主電路獨(dú)立于RT-LAB，無須額外設(shè)計(jì)。調(diào)制算法與反饋環(huán)路模型可在MatLab/Simulink中實(shí)現(xiàn)，其總的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。其中，最上端OpCtrlML605EX2模塊為FPGA板卡的配置文件；右端ML605EX1EventGenerator1為RT-LAB的IO輸出模塊，其功能主要是輸出PWM控制信號(hào)；RETConversionOP5110-5120為RT-LAB的事件轉(zhuǎn)換模塊，其主要功能是為MatLab/Simulink產(chǎn)生的PWM信號(hào)加上時(shí)間戳，以便仿真主機(jī)能實(shí)時(shí)輸出高精度的PWM信號(hào)；左下方的ML605EX1AnalogIn為RT-LAB的模擬信號(hào)輸入模塊，其功能主要是對(duì)電力電子系統(tǒng)的電壓電流進(jìn)行采樣。上述模塊涉及RT-LAB仿真主機(jī)的硬件配置，由Opal-RT公司提供，只需在系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用即可，無須對(duì)其進(jìn)行更改。除上述模塊外，其他均為MatLab/Simulink標(biāo)準(zhǔn)模塊。其中PWMunitRTE3.x為PWM信號(hào)調(diào)制模塊，由Simulink標(biāo)準(zhǔn)模塊封裝而成，其中大部分模塊參數(shù)都可以實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整，可對(duì)逆變器工作特性實(shí)時(shí)分析。本實(shí)驗(yàn)采用正弦脈沖寬度調(diào)制(SPWM)算法與PID控制策略對(duì)逆變器進(jìn)行控制，仿真步長設(shè)置為10µs，逆變器主電路元件參數(shù)設(shè)計(jì)為r=0.2，La=Lb=Lc=2mH，Ca=Cb=Cc=10µF。運(yùn)用RT-LAB上位機(jī)軟件將圖4所示控制算法編譯后下載至RT-LAB仿真主機(jī)，將仿真主機(jī)的PWM輸出與AD輸入信號(hào)與主電路進(jìn)行連接，運(yùn)行仿真主機(jī)對(duì)主電路進(jìn)行控制，可得圖5所示主電路工作波形，根據(jù)圖5所示實(shí)驗(yàn)波形即可對(duì)三相四線制逆變器的工作原理進(jìn)行較為深入地分析。

5結(jié)論

就電力電子技術(shù)課程而言，實(shí)驗(yàn)教學(xué)與軟件仿真教學(xué)是理論教學(xué)的重要輔助，然而目前硬件實(shí)驗(yàn)設(shè)備靈活性差，不利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性，軟件仿真與客觀環(huán)境差別較大，不夠直觀也很難反映真實(shí)工程?；赗T-LAB的電力電子半實(shí)物仿真平臺(tái)彌補(bǔ)了上述不足，既可以接觸到電力電子變換器實(shí)物，又可以在MatLab/Simulink環(huán)境中對(duì)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行靈活訂制。該仿真平臺(tái)實(shí)施以來，學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性、主動(dòng)性大為提高，學(xué)生在高效學(xué)習(xí)電力電子系統(tǒng)相關(guān)工作原理及其控制算法的同時(shí)熟悉了半實(shí)物仿真這種較為先進(jìn)的科研和測試技術(shù)，有利于學(xué)生在電力電子系統(tǒng)建模和控制算法上進(jìn)行創(chuàng)新，從而提高電力電子課程的教學(xué)質(zhì)量。

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作者:李湘峰 屈莉莉 張惠桃 莊梓丹 單位:佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院