電力電子HIL教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1、電力電子HIL教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)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）1摘要: 為了克服傳統(tǒng)電力電子實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不能滿足高階、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的缺點(diǎn)，采用硬件在環(huán)技術(shù)設(shè)計(jì)了電力電子教學(xué)平臺(tái)，構(gòu)建了驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性綜合訓(xùn)練3 層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)。所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)不需要傳統(tǒng)硬件在環(huán)技術(shù)中高速采集卡，采用串口通訊實(shí)現(xiàn)物理部分和仿真部分之間的數(shù)據(jù)交換，雖然會(huì)增加一些時(shí)間消耗，但極大地降低了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)和運(yùn)維成本，更適合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，硬件在環(huán)，MATLAB中圖分類號(hào)：TK51; G642.423文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Design of Har

2、dware-in-Loop Teaching Experiment Platform of Power Electronics CourseTANG Xin, XI Yan-hui, WANG Wen(College of Electrical and information Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha, Hunan, 410014, China)Abstract: In order to overcome the shortcomings of the traditional pow

3、er electronics experimental platform that cannot meet the requirements of high-level and innovative experimental teaching, the power electronics teaching platform is designed with hardware-in-loop (HIL) technology. Three levels of confirmatory experiment, design experiment and innovative comprehensi

4、ve training are constructed to improve practical ability of undergraduate students. The designed platform does not need the high-speed acquisition card and I / O interface board in the traditional HIL technology, only uses the serial port communication to realize the data exchange between the physic

5、al part and the simulation part. Although it will increase some time consumption, it greatly reduces the invest and maintenance costs of the experimental platform, which is more suitable for undergraduate experimental teaching.Keywords: Power electronics, Experimental platform, Hardware in loop (HIL

6、), MATLAB50 引言 基金項(xiàng)目：湖南省教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2018hnjg194, 2019hnjg196）第一作者：唐欣（1975-），教授，教學(xué)副院長，中國電力教育協(xié)會(huì)電氣工程學(xué)科教學(xué)委員會(huì)副主任委員, Email: 89386471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(gè)環(huán)節(jié)，電力電子技術(shù)課程已成為電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)非常重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程12。電力電子技術(shù)課程是一門工程性很強(qiáng)的課程，實(shí)驗(yàn)教學(xué)顯得尤為重要。傳統(tǒng)的電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備提供的實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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

7、足學(xué)生掌握電力新技術(shù)的要求34。為降低成本和減少開發(fā)時(shí)間，近年來，硬件在環(huán)（hardware in loop，HIL）技術(shù)迅速發(fā)展，廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)研究、自動(dòng)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(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)HIL控制結(jié)構(gòu)；文獻(xiàn)6采用dSPACE設(shè)計(jì)了永磁同步電機(jī)控制器的HIL實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(bǔ)輸電系統(tǒng)實(shí)時(shí)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(jì)了BMS硬件

8、在環(huán)測試系統(tǒng)，確保BMS產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)教學(xué)。當(dāng)前高校符合電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)的平臺(tái)研發(fā)較少，文獻(xiàn)10 針對(duì)電力電子與電力傳動(dòng)方向設(shè)計(jì)了一種DSP28335作為控制器的硬件在環(huán)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(duì)電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)了一種基于Simulink的硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)設(shè)計(jì)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(tái)所需的FPGA板、采樣板和I/O板等信號(hào)接口。

9、為了方便開展不同復(fù)雜對(duì)象的實(shí)驗(yàn)，并降低安全風(fēng)險(xiǎn)，主電路的控制器是物理實(shí)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(duì)本科生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，為學(xué)生提供了模塊化控制程序設(shè)計(jì)及代碼自動(dòng)生成的開發(fā)環(huán)境。1電力電子HIL教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)1.1 平臺(tái)的結(jié)構(gòu)電力電子HIL教學(xué)平臺(tái)如圖1所示。圖1 電力電子HIL教學(xué)平臺(tái)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(yùn)行電力電子系統(tǒng)的功率電路，控制板用于運(yùn)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(yùn)行時(shí)主電路部分與控制部

10、分之間的數(shù)據(jù)交換。1.2 平臺(tái)軟硬件組成 上位機(jī)相關(guān)的軟件有MATLAB/Simulink和CCS，其中，Simulink實(shí)現(xiàn)控制代碼的自動(dòng)生成，并在硬件在環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)仿真主電路的運(yùn)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(shí)驗(yàn)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(gè)

11、子系統(tǒng)模塊中，并將其部署到硬件上，生成一個(gè)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(jì)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(yùn)行HIL模型（該操作自動(dòng)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(shí)驗(yàn)。在仿真實(shí)驗(yàn)中，主電路在Simulink中模擬運(yùn)行并將主電路的電壓、電流信號(hào)通過串行通信傳送給控制板，同時(shí)控制器的產(chǎn)生的控制信號(hào)也傳送給Simulink中的主電路。）2仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷拇罱ㄅc測試 電力電子HIL教學(xué)平臺(tái)不僅可以實(shí)現(xiàn)AC-DC、DC-DC、AC-AC和DC-AC

12、基本電能變換的仿真實(shí)驗(yàn)，而且可以開展復(fù)雜系統(tǒng)的高階實(shí)驗(yàn)，電力電子HIL教學(xué)實(shí)驗(yàn)室如圖3所示。圖3 電力電子HIL教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(tái)實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例，表1給出該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)。表1 逆變電路仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)培養(yǎng)目標(biāo)內(nèi)容知識(shí)直流-交流的變換、PWM的調(diào)制、閉環(huán)控制等知識(shí)的掌握、綜合運(yùn)用能力分析、解決復(fù)雜電氣工程問題的能力，熟練使用仿真計(jì)算工具的能力素質(zhì)溝通協(xié)作素養(yǎng)、堅(jiān)忍不拔的心理素質(zhì)、關(guān)注工程與社會(huì)的個(gè)人修養(yǎng)基于HIL仿真的三相PWM逆變電路實(shí)驗(yàn)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

13、型，采用電力電子HIL教學(xué)平臺(tái)構(gòu)成處理器在環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)三相逆變器并網(wǎng)電流有功、無功的分別控制。該實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?shí)現(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(gè)典型三相PWM逆變器的Si

14、mulink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(shí)現(xiàn)在Simulink中對(duì)所設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行測試后，需要將控制算法封裝在一個(gè)子系統(tǒng)模塊中，并部署到硬件上，生成一個(gè)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+

15、code”條目中“Deploy this Subsystem to Hardware”條目），該操作實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果 對(duì)上述全數(shù)字仿真模型和HIL模型分別進(jìn)行測試。圖5（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5 三相PWM逆變電路的輸出電壓波形 圖6（a）和（b）分別給出了啟動(dòng)過程中逆變器輸出的線電壓和電流的波形，圖中實(shí)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

16、看出電力電子HIL教學(xué)平臺(tái)可以有效開展電力電子教學(xué)工作。(a) AB相的線電壓（b）A相電流 圖6 啟動(dòng)過程中逆變電路輸出的電壓和電流波形通過該實(shí)驗(yàn)的實(shí)施可以加深學(xué)生對(duì)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(shí)的理解，還能促進(jìn)學(xué)生對(duì)控制理論、電力系統(tǒng)功率傳輸理論等知識(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)水平和教學(xué)效果，設(shè)計(jì)了一種基于Simulink的HIL教學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)設(shè)計(jì)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(tái)中昂貴的信號(hào)接口。主電路

17、的控制器是物理實(shí)現(xiàn)的，其余部分在MATLAB的Simulink中進(jìn)行仿真?？刂扑惴▽?shí)現(xiàn)和下載到控制板可以在Simulink中快速完成。該平臺(tái)不僅支持AC-DC、DC-DC、AC-AC和DC-AC基本變換的實(shí)驗(yàn)，還可以開展復(fù)雜電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，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)。參考文獻(xiàn)：1 史敬灼 . “電力電子技術(shù)”項(xiàng)目研究型課程設(shè)計(jì)教學(xué)改革J南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 41(06): 134-137.2 許勝，李彥林，曹健. 面向新工科的“電力電子技術(shù)”課程綜合設(shè)計(jì)J南京: 電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 41(02): 155-158.3 王凱，周圣哲，李玉浩. 電力電子技術(shù)多元化創(chuàng)新型教學(xué)模式探索J上海: 實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2019(7): 1731754 滕召勝 汪沨 歐陽博.電氣信息類學(xué)科競賽管理模式的改革與實(shí)踐J北京: 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理, 2019, 36(06): 21-245 蘇波，李奇，王天宏等. 城軌交通用燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)瞬時(shí)等效最小氫耗硬件在環(huán)方法研究J北京: 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，39(19): 5714-57236 黨美婷，任佳越，楊啟東. 基于dSPACE的電機(jī)控制器硬件在環(huán)測試研究J西安: 汽車實(shí)用技術(shù), 20