電力電子技術仿真實驗設計研究

1、電力電子技術仿真實驗設計研究摘要：將課堂理論教學與軟件仿真、實驗教學相結合是改善教學效果的有效途徑之一。設計了一款基于RT-LAB的電力電子系統(tǒng)半實物仿真平臺，以此將虛擬仿真教學和實物實驗手段有機融入課程教學進程，并以三相四線制逆變器電路為例，介紹了教學的過程與步驟。教學實踐表明，電力電子系統(tǒng)半實物仿真平臺的使用有效地提高了學生學習的積極性，對教學質量以及學習效果的提高起到了積極的促進作用。 關鍵詞：RT-LAB；半實物仿真系統(tǒng)；三相四線制逆變器；MatLab/Simulink 1研究背景 電力電子技術被廣泛應用于電力行業(yè)的各個領域，而我國電力電子相關技術人員卻一直較為缺乏，如何通過高效的電力

2、電子技術課程教學培養(yǎng)高素質研發(fā)人員已成為當前高校亟待解決的現(xiàn)實問題。在電力電子技術課程教學過程中，目前主要是采用模態(tài)分析、波形分析以及理論分析法對學生進行講授，很多學生從未接觸過電力電子變換器實物，因此在整個教學過程中，學生處于被動學習的狀態(tài)，學習過程比較枯燥，最終導致學生學習效果不理想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)教學模式中加入仿真軟件的內容，提升學生對課堂知識的掌握程度。但鑒于學生需要對產品工作過程和構建過程的感官了解，所以僅依靠上述理論教學和軟件仿真的教學手段仍然很難達到理想的教學效果。部分高校采購了相關電力電子實驗設備進行教學3-

3、5，但其實驗內容相對落后，基本都是以晶閘管等半控型設備的實驗內容為主，很難滿足當前電力電子技術課程教學的要求。此外，由于電力電子設備的控制算法以及主電路均已固化到實驗設備中，實驗內容固定且難以擴展，學生參與度低，不利于調動學生的學習積極性。因此，若能讓學生在接觸到電力電子變換器實物的同時，又能針對具體的電力電子變換器主電路對控制算法進行靈活設計，則可以調動學生的學習積極性，從而得到較好的教學效果6-8。因此，本文利用MatLab/Simulink虛擬實驗教學思想，設計了一款基于RT-LAB仿真機的電力電子變換器半實物仿真平臺，并基于該仿真平臺對電力電子技術課程教學過程進行了重新規(guī)劃、設計，以期

4、能為電力電子技術的教學提供一種新的方法與思路。 2半實物仿真系統(tǒng)及其仿真原理 一個完整的電力電子系統(tǒng)應當包含兩部分功能模塊：一是電力電子變換器主電路；二是對主電路進行控制的控制器模塊。半實物仿真系統(tǒng)是指系統(tǒng)中某功能模塊由計算機虛擬仿真實現(xiàn)，而另一功能模塊則由具體的實物電路實現(xiàn)。就電力電子系統(tǒng)的半實物仿真系統(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+實際被控對象”的模式，即電力電子變換器主電路由實物電路實現(xiàn)，而控制算法在MatLab/Simulink等仿真軟件中進行仿真調試，調試通過后將相關算法下載至仿真主機運行，由仿

5、真主機代替單片機或DSP等控制器對主電路進行控制。2.2硬件在環(huán)仿真(HardwareintheLoop，HIL)HIL采用“實際控制器+虛擬被控對象”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、調試，調試通過后將數(shù)學模型下載至仿真機，由仿真機虛擬實際電路，而控制器由單片機系統(tǒng)、DSP系統(tǒng)等實現(xiàn)，最終單片機或DSP系統(tǒng)與仿真主機進行聯(lián)合仿真。對于控制器而言，其效果等同于控制一個實際的變換器主電路。硬件在環(huán)(HIL)技術在工業(yè)電力電子與電力傳動領域越來越受到重視，廣泛應用于智能微網(wǎng)、MMC模塊變頻器以及電力儲能等大功率場合，實現(xiàn)了先進控制算法快速驗證和產品控制

6、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電力系統(tǒng)、電力電子以及電力拖動系統(tǒng)的實時仿真平臺。該平臺可與MatLab/Simulink無縫對接，運行過程中可在上位機MatLab/Simulink中對仿真參數(shù)進行在線調整并實時監(jiān)控。同時，實驗時可通過轉接板觀察仿真機與實物電路之間的實際物理信號，從而對電力電子系統(tǒng)的工作原理與運行特性有更直觀、深刻的理解。該特點十分適合于電力電子系統(tǒng)工作原理與相關控制算法的仿真、測試以及演示，因此基于RT-LAB仿真平臺實現(xiàn)電力電子技術課程的教學與實踐具有較強的可行性。應用RT-LAB進行半實物仿真教學，主要有三種模式。一是全數(shù)字實時仿

7、真模式。該模式直接在MatLab/Simulink中對電力電子變換器主電路以及對應控制算法進行建模并調試，調試通過后將相關模型進行編譯并下載至RT-LAB主機中進行仿真。在仿真步長不大于10s時，RT-LAB可實現(xiàn)實時仿真，從而使得學生對電力電子系統(tǒng)的響應特性具有較直觀的認識。二是功率硬件在環(huán)仿真模式(PowerHardwareintheLoop，PHIL)。PHIL在國際上已經有了廣泛的研究和應用。該模式下，RT-LAB仿真機根據(jù)所收到的控制器信號對Simulink中的虛擬電力電子器件進行開關控制并將主電路的電壓電流等信號反饋至外部真實控制器。其缺點是，針對不同拓撲電路需要設計不同控制算法，

8、而DSP/FPGA的算法實現(xiàn)過程較復雜，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用場景。三是功率級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物電路，而對應的控制邏輯則可在MatLab/Simulink中實現(xiàn)并下載到RT-LAB仿真機，隨后RT-LAB仿真機運行對應控制算法以此控制實物電路。由于控制算法是在MatLab/Simulink中實現(xiàn)，該種模式適用于需要對控制算法頻繁修改、調試，而主電路拓撲保持不變的情況。電力電子課程教學過程中所涉及的主電路拓撲不多，學習重點在于電路拓撲的工作原理和控制方式，選

9、擇PRCP模式既可以讓學生直接接觸到電力電子變換器主電路，又可以在學生所熟悉的MatLab/Simulink環(huán)境中進行算法驗證，因此本文選用該模式進行電力電子技術課程的教學與實驗。 3基于RT-LAB系統(tǒng)半實物仿真平臺設計 RT-LAB半實物仿真教學平臺硬件部分包括電力電子變換器主電路、半導體功率器件驅動保護電路、電平轉換電路、模擬信號調理電路以及RT-LAB仿真主機;軟件部分則包括電力電子變換器控制算法(基于MatLab/Simulink實現(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。仿真教學平臺的結構框圖如圖1所

10、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實現(xiàn)無縫對接，可將MatLab/Simulink中所搭建的數(shù)學模型進行模型優(yōu)化、分割、編譯以及實時化處理，并將編譯后的代碼下載至仿真主機中進行實時運行。半實物仿真平臺仿真流程如圖2所示。 4電力電子系統(tǒng)半實物仿真的實現(xiàn) 圖3所示為三相四線制逆變器主電路拓撲，該拓撲廣泛應用于電動汽車、不間斷供電系統(tǒng)(UninterruptiblePowerSeppl

11、y，UPS)、新能源發(fā)電以及智能電網(wǎng)等系統(tǒng)中，是電力電子技術課程中極其重要的一類電路拓撲。下面以該電路為例，說明RT-LAB系統(tǒng)半實物仿真教學平臺的應用過程。圖3三相四線制逆變器電路結構電力電子技術課程的學習難點在于電路拓撲的工作原理。具體對于三相四線制逆變器電路而言，其教學難點在于逆變電路的調制方法與反饋控制算法?；诖耍虒W重點在于調制算法與反饋環(huán)路的設計，而電力電子主電路獨立于RT-LAB，無須額外設計。調制算法與反饋環(huán)路模型可在MatLab/Simulink中實現(xiàn)，其總的結構框圖如圖4所示。其中，最上端OpCtrlML605EX2模塊為FPGA板卡的配置文件；右端ML605EX1Eve

12、ntGenerator1為RT-LAB的IO輸出模塊，其功能主要是輸出PWM控制信號；RETConversionOP5110-5120為RT-LAB的事件轉換模塊，其主要功能是為MatLab/Simulink產生的PWM信號加上時間戳，以便仿真主機能實時輸出高精度的PWM信號；左下方的ML605EX1AnalogIn為RT-LAB的模擬信號輸入模塊，其功能主要是對電力電子系統(tǒng)的電壓電流進行采樣。上述模塊涉及RT-LAB仿真主機的硬件配置，由Opal-RT公司提供，只需在系統(tǒng)進行調用即可，無須對其進行更改。除上述模塊外，其他均為MatLab/Simulink標準模塊。其中PWMunitRTE3.

13、x為PWM信號調制模塊，由Simulink標準模塊封裝而成，其中大部分模塊參數(shù)都可以實現(xiàn)在線調整，可對逆變器工作特性實時分析。本實驗采用正弦脈沖寬度調制(SPWM)算法與PID控制策略對逆變器進行控制，仿真步長設置為10s，逆變器主電路元件參數(shù)設計為r=0.2，La=Lb=Lc=2mH，Ca=Cb=Cc=10F。運用RT-LAB上位機軟件將圖4所示控制算法編譯后下載至RT-LAB仿真主機，將仿真主機的PWM輸出與AD輸入信號與主電路進行連接，運行仿真主機對主電路進行控制，可得圖5所示主電路工作波形，根據(jù)圖5所示實驗波形即可對三相四線制逆變器的工作原理進行較為深入地分析。 5結論 就電力電子技術

14、課程而言，實驗教學與軟件仿真教學是理論教學的重要輔助，然而目前硬件實驗設備靈活性差，不利于培養(yǎng)學生的創(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工程。基于RT-LAB的電力電子半實物仿真平臺彌補了上述不足，既可以接觸到電力電子變換器實物，又可以在MatLab/Simulink環(huán)境中對實驗項目進行靈活訂制。該仿真平臺實施以來，學生參與實驗的積極性、主動性大為提高，學生在高效學習電力電子系統(tǒng)相關工作原理及其控制算法的同時熟悉了半實物仿真這種較為先進的科研和測試技術，有利于學生在電力電子系統(tǒng)建模和控制算法上進行創(chuàng)新，從而提高電力電子課程的教學質量。 參考文獻 1鄒夢麗,李建軍,羅繼東,等.“電力電子技術”課程教學改革探究J.教育現(xiàn)代化,2019(38):26-27. 2魯明麗,劉燕,楊浩東,等.工程專業(yè)認證背景下的電力電子技術教學改革與實踐J.中國現(xiàn)代教育裝備,2019(11):71-74. 3濮霞,段榮霞.電工電子實驗課堂教學有效性的探討J.中國現(xiàn)代教育裝備,2019(5):55-57. 4朱學貴,趙明,付志紅,等.基于VHS-ADC的電力電子實驗平臺的設計J.電氣電子教學學報,2011,33(5):55-57,60.