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1、电力电子技术仿真实验设计研究 摘要：将课堂理论教学与软件仿真、实验教学相结合是改善教学效果的有效途径之一。设计了一款基于RT-LAB的电力电子系统半实物仿真平台，以此将虚拟仿真教学和实物实验手段有机融入课程教学进程，并以三相四线制逆变器电路为例，介绍了教学的过程与步骤。教学实践表明，电力电子系统半实物仿真平台的使用有效地提高了学生学习的积极性，对教学质量以及学习效果的提高起到了积极的促进作用。 关键词：RT-LAB；半实物仿真系统；三相四线制逆变器；MatLab/Simulink 1研究背景 电力电子技术被广泛应用于电力行业的各个领域，而我国电力电子相关技术人员却一直较为缺乏，如何通过高效的电
2、力电子技术课程教学培养高素质研发人员已成为当前高校亟待解决的现实问题。在电力电子技术课程教学过程中，目前主要是采用模态分析、波形分析以及理论分析法对学生进行讲授，很多学生从未接触过电力电子变换器实物，因此在整个教学过程中，学生处于被动学习的状态，学习过程比较枯燥，最终导致学生学习效果不理想1-2。近年来，不少高校将MatLab/Simulink引入电力电子课程，采取了在传统教学模式中加入仿真软件的内容，提升学生对课堂知识的掌握程度。但鉴于学生需要对产品工作过程和构建过程的感官了解，所以仅依靠上述理论教学和软件仿真的教学手段仍然很难达到理想的教学效果。部分高校采购了相关电力电子实验设备进行教学3
3、-5，但其实验内容相对落后，基本都是以晶闸管等半控型设备的实验内容为主，很难满足当前电力电子技术课程教学的要求。此外，由于电力电子设备的控制算法以及主电路均已固化到实验设备中，实验内容固定且难以扩展，学生参与度低，不利于调动学生的学习积极性。因此，若能让学生在接触到电力电子变换器实物的同时，又能针对具体的电力电子变换器主电路对控制算法进行灵活设计，则可以调动学生的学习积极性，从而得到较好的教学效果6-8。因此，本文利用MatLab/Simulink虚拟实验教学思想，设计了一款基于RT-LAB仿真机的电力电子变换器半实物仿真平台，并基于该仿真平台对电力电子技术课程教学过程进行了重新规划、设计，以
4、期能为电力电子技术的教学提供一种新的方法与思路。 2半实物仿真系统及其仿真原理 一个完整的电力电子系统应当包含两部分功能模块：一是电力电子变换器主电路；二是对主电路进行控制的控制器模块。半实物仿真系统是指系统中某功能模块由计算机虚拟仿真实现，而另一功能模块则由具体的实物电路实现。就电力电子系统的半实物仿真系统而言又分为以下两种情况。2.1快速控制原型(RapidControlPrototype，RCP)RCP采用“虚拟控制器+实际被控对象”的模式，即电力电子变换器主电路由实物电路实现，而控制算法在MatLab/Simulink等仿真软件中进行仿真调试，调试通过后将相关算法下载至仿真主机运行，由
5、仿真主机代替单片机或DSP等控制器对主电路进行控制。2.2硬件在环仿真(HardwareintheLoop，HIL)HIL采用“实际控制器+虚拟被控对象”的模式，即电力电子变换器主电路在MatLab/Simulink等仿真软件中建模、调试，调试通过后将数学模型下载至仿真机，由仿真机虚拟实际电路，而控制器由单片机系统、DSP系统等实现，最终单片机或DSP系统与仿真主机进行联合仿真。对于控制器而言，其效果等同于控制一个实际的变换器主电路。硬件在环(HIL)技术在工业电力电子与电力传动领域越来越受到重视，广泛应用于智能微网、MMC模块变频器以及电力储能等大功率场合，实现了先进控制算法快速验证和产品控
6、制器的快速研发。RT-LAB是由加拿大Opal-RT公司推出的一套专门针对电力系统、电力电子以及电力拖动系统的实时仿真平台。该平台可与MatLab/Simulink无缝对接，运行过程中可在上位机MatLab/Simulink中对仿真参数进行在线调整并实时监控。同时，实验时可通过转接板观察仿真机与实物电路之间的实际物理信号，从而对电力电子系统的工作原理与运行特性有更直观、深刻的理解。该特点十分适合于电力电子系统工作原理与相关控制算法的仿真、测试以及演示，因此基于RT-LAB仿真平台实现电力电子技术课程的教学与实践具有较强的可行性。应用RT-LAB进行半实物仿真教学，主要有三种模式。一是全数字实时
7、仿真模式。该模式直接在MatLab/Simulink中对电力电子变换器主电路以及对应控制算法进行建模并调试，调试通过后将相关模型进行编译并下载至RT-LAB主机中进行仿真。在仿真步长不大于10s时，RT-LAB可实现实时仿真，从而使得学生对电力电子系统的响应特性具有较直观的认识。二是功率硬件在环仿真模式(PowerHardwareintheLoop，PHIL)。PHIL在国际上已经有了广泛的研究和应用。该模式下，RT-LAB仿真机根据所收到的控制器信号对Simulink中的虚拟电力电子器件进行开关控制并将主电路的电压电流等信号反馈至外部真实控制器。其缺点是，针对不同拓扑电路需要设计不同控制算法
8、，而DSP/FPGA的算法实现过程较复杂，因此该模式主要适用于智能电网、多电平变换器等大功率应用场景。三是功率级的快速控制原型开发模式(PowerRapidControlPrototype，PRCP)。该模式下，电力电子变换器主电路为实物电路，而对应的控制逻辑则可在MatLab/Simulink中实现并下载到RT-LAB仿真机，随后RT-LAB仿真机运行对应控制算法以此控制实物电路。由于控制算法是在MatLab/Simulink中实现，该种模式适用于需要对控制算法频繁修改、调试，而主电路拓扑保持不变的情况。电力电子课程教学过程中所涉及的主电路拓扑不多，学习重点在于电路拓扑的工作原理和控制方式，
9、选择PRCP模式既可以让学生直接接触到电力电子变换器主电路，又可以在学生所熟悉的MatLab/Simulink环境中进行算法验证，因此本文选用该模式进行电力电子技术课程的教学与实验。 3基于RT-LAB系统半实物仿真平台设计 RT-LAB半实物仿真教学平台硬件部分包括电力电子变换器主电路、半导体功率器件驱动保护电路、电平转换电路、模拟信号调理电路以及RT-LAB仿真主机;软件部分则包括电力电子变换器控制算法(基于MatLab/Simulink实现)以及由Opal-RT公司开发的专门用于电力电子仿真的ARTEMIS，RTE-Drive和RT-Events等仿真工具箱。仿真教学平台的结构框图如图1
10、所示，其中OP5330，OP5340，OP5354，OP5353分别为16位模拟输出板卡、16位模拟输入板卡、32位数字输出板卡以及32位数字输入板卡。ARTEMIS，RTE-Drive和RT-Events等仿真工具箱可与MatLab/Simulink实现无缝对接，可将MatLab/Simulink中所搭建的数学模型进行模型优化、分割、编译以及实时化处理，并将编译后的代码下载至仿真主机中进行实时运行。半实物仿真平台仿真流程如图2所示。 4电力电子系统半实物仿真的实现 图3所示为三相四线制逆变器主电路拓扑，该拓扑广泛应用于电动汽车、不间断供电系统(UninterruptiblePowerSepp
11、ly，UPS)、新能源发电以及智能电网等系统中，是电力电子技术课程中极其重要的一类电路拓扑。下面以该电路为例，说明RT-LAB系统半实物仿真教学平台的应用过程。图3三相四线制逆变器电路结构电力电子技术课程的学习难点在于电路拓扑的工作原理。具体对于三相四线制逆变器电路而言，其教学难点在于逆变电路的调制方法与反馈控制算法。基于此，教学重点在于调制算法与反馈环路的设计，而电力电子主电路独立于RT-LAB，无须额外设计。调制算法与反馈环路模型可在MatLab/Simulink中实现，其总的结构框图如图4所示。其中，最上端OpCtrlML605EX2模块为FPGA板卡的配置文件；右端ML605EX1Ev
12、entGenerator1为RT-LAB的IO输出模块，其功能主要是输出PWM控制信号；RETConversionOP5110-5120为RT-LAB的事件转换模块，其主要功能是为MatLab/Simulink产生的PWM信号加上时间戳，以便仿真主机能实时输出高精度的PWM信号；左下方的ML605EX1AnalogIn为RT-LAB的模拟信号输入模块，其功能主要是对电力电子系统的电压电流进行采样。上述模块涉及RT-LAB仿真主机的硬件配置，由Opal-RT公司提供，只需在系统进行调用即可，无须对其进行更改。除上述模块外，其他均为MatLab/Simulink标准模块。其中PWMunitRTE3
13、.x为PWM信号调制模块，由Simulink标准模块封装而成，其中大部分模块参数都可以实现在线调整，可对逆变器工作特性实时分析。本实验采用正弦脉冲宽度调制(SPWM)算法与PID控制策略对逆变器进行控制，仿真步长设置为10µs，逆变器主电路元件参数设计为r=0.2，La=Lb=Lc=2mH，Ca=Cb=Cc=10µF。运用RT-LAB上位机软件将图4所示控制算法编译后下载至RT-LAB仿真主机，将仿真主机的PWM输出与AD输入信号与主电路进行连接，运行仿真主机对主电路进行控制，可得图5所示主电路工作波形，根据图5所示实验波形即可对三相四线制逆变器的工作原理进行较为深入地
14、分析。 5结论 就电力电子技术课程而言，实验教学与软件仿真教学是理论教学的重要辅助，然而目前硬件实验设备灵活性差，不利于培养学生的创造性，软件仿真与客观环境差别较大，不够直观也很难反映真实工程。基于RT-LAB的电力电子半实物仿真平台弥补了上述不足，既可以接触到电力电子变换器实物，又可以在MatLab/Simulink环境中对实验项目进行灵活订制。该仿真平台实施以来，学生参与实验的积极性、主动性大为提高，学生在高效学习电力电子系统相关工作原理及其控制算法的同时熟悉了半实物仿真这种较为先进的科研和测试技术，有利于学生在电力电子系统建模和控制算法上进行创新，从而提高电力电子课程的教学质量。 第9页 共9页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页第 9 页 共 9 页