郭鵬輝，范學(xué)鑫，王瑞田，謝　楨，汪光森

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

基于RCP實(shí)時(shí)仿真的三電平H橋直流變換器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

郭鵬輝，范學(xué)鑫，王瑞田，謝楨，汪光森

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033）

三電平以及多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變流器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電，高壓直流輸電等領(lǐng)域，而實(shí)時(shí)仿真為變換器的研究提供了一種新穎的研究手段。本文基于RT_LAB構(gòu)建了三電平H橋直流變換器快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，介紹了其基本結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)過程，在此實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開展了三電平H橋直流變換器不同工況下的仿真，與離線仿真結(jié)果對(duì)比，吻合情況良好，驗(yàn)證了實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的合理性。

RCP實(shí)時(shí)仿真三電平H橋直流變換器

0引言

由于多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流變換器可以解決開關(guān)管功率和耐壓的約束，因此已經(jīng)在分布式發(fā)電，高壓直流輸電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用［1］。目前多電平變換器已成為研究熱點(diǎn)。電力電子變換的研究離不開仿真實(shí)驗(yàn)，而傳統(tǒng)的純數(shù)字離線仿真置信度有限，因此使用半實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)輔助電力電子變換的研究受到越來越多的重視。半實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真技術(shù)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）半實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真由于有實(shí)物控制器或?qū)ο蠼尤敕抡婊芈罚渚_度較高，更接近于系統(tǒng)的實(shí)際情況［2-3］。

2）使用半實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真可以降低電力電子系統(tǒng)的研究風(fēng)險(xiǎn)，安全性好。

半實(shí)物的實(shí)時(shí)仿真又分為兩種：（1）快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）仿真系統(tǒng)，由虛擬控制器和實(shí)際對(duì)象組成；（2）硬件在回路（Hardware in the Loop，HIL）仿真系統(tǒng)，由實(shí)際控制器和虛擬對(duì)象組成.

目前應(yīng)用比較廣泛的幾個(gè)實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)有德國(guó)的dSPACE仿真平臺(tái)、加拿大Opal-RT公司的RT_LAB仿真平臺(tái)和加拿大曼尼托巴研究中心的RTDS仿真平臺(tái)［4］。

文獻(xiàn)［1］提出了一種直流變換器的模式快速識(shí)別PI自適應(yīng)控制策略，文獻(xiàn)［2］總結(jié)了電力電子實(shí)時(shí)仿真中所遇到的問題并提出了改進(jìn)措施，文獻(xiàn)［5］介紹了實(shí)時(shí)仿真技術(shù)在電力電子和電力驅(qū)動(dòng)中面臨的挑戰(zhàn)以及解決方法并闡述了實(shí)時(shí)仿真技術(shù)在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。對(duì)于隔離型三電平直流變換器的實(shí)時(shí)仿真建模鮮有公開報(bào)道。

本文首先介紹了三電平H橋直流變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以三電平H橋直流變換器電路為實(shí)物對(duì)象，構(gòu)建了RCP實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，概述了其基本結(jié)構(gòu)及軟硬件設(shè)計(jì)，開展了三電平H橋直流變換器的性能仿真實(shí)驗(yàn)研究。

圖1三電平H橋直流變換器實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)

1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

三電平H橋直流變換器實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由變換器主電路，RT_LAB仿真機(jī)，實(shí)時(shí)仿真接口板三部分組成，分別概述如下。

2變換器主電路

三電平H橋直流變換器主要由三電平逆變器、中頻隔離變壓器、不控整流器、LC濾波器等組成，其電路原理圖如圖1的主電路部分所示。直流輸入電壓Ud經(jīng)過三電平H橋逆變器后得到三電平交流電壓，經(jīng)中頻隔離變壓器變壓后，由整流橋整流并通過LC濾波器濾波獲得直流輸出電壓，實(shí)現(xiàn)DC/DC的直流變換。三電壓H橋結(jié)構(gòu)的直流變換器可用于中壓直流電網(wǎng)至低壓電網(wǎng)的直接電能傳送，中頻隔離變壓器也能夠隔離中壓電網(wǎng)和低壓電網(wǎng)。

直流變換器的主要參數(shù)為額定功率：20 kW；額定輸入電壓：900 V；額定輸出電壓：300 V；額定輸出電流67 A；開關(guān)頻率：1 kHz。

3 RT_LAB實(shí)時(shí)仿真模型設(shè)計(jì)

基于RT_LAB，設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真模型，如圖2所示。

該實(shí)時(shí)仿真模型共分為四個(gè)模塊：

SM_Controller模塊主要為電壓電流雙閉環(huán)PI控制器和運(yùn)行參數(shù)的本地存儲(chǔ)。

SC_console模塊主要為運(yùn)行狀態(tài)的顯示，PI參數(shù)在線調(diào)整以及充放電繼電器控制。

SS_Controller模塊主要為數(shù)字信號(hào)輸入，數(shù)字信號(hào)輸出以及綜合保護(hù)信號(hào)的生成。

SS_Analog模塊主要為模擬量輸入，模擬量輸出，數(shù)字濾波及比例調(diào)整。

其 中SM_Controller， SS_Controller，SS_Analog模塊分別在仿真機(jī)中獨(dú)立的CPU中運(yùn)行，SC_console在上位機(jī)中運(yùn)行。

圖2實(shí)時(shí)仿真模型

4實(shí)時(shí)仿真接口板

RCP實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)的接口板如圖 3所示，IGBT驅(qū)動(dòng)、繼電器、故障報(bào)警燈、緊急停機(jī)按鈕等功能部件的信號(hào)經(jīng)光耦隔離后與接口板連接，接口板上的FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列）芯片對(duì)各路信號(hào)進(jìn)行必要的分類處理后通過RT_LAB數(shù)字輸入、輸出接口與仿真平臺(tái)軟件通訊。傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過接口板上的調(diào)理電路處理后送入RT_LAB模擬輸入接口。

4.1接口板與RT_LAB接口

試驗(yàn)室配備的RT_LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)基于OP5600型機(jī)架，包含OP5353型32路數(shù)字輸入板卡一塊，OP5354型32路數(shù)字輸出板卡兩塊。在設(shè)計(jì)接口板與RT_LAB仿真機(jī)之間的數(shù)字接口時(shí)需考慮二者接口的匹配性.

圖3實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)接口板圖

4.1.1 RT_LAB數(shù)字輸入

RT_LAB OP5353型數(shù)字輸入接口原理圖如圖4所示。設(shè)計(jì)電路見圖5。

圖2RT_LAB OP5353數(shù)字輸入原理圖

圖5OP5353與接口板的接口電路

圖6 OP5354數(shù)字輸出板卡的接口電路

電平邏輯：

4.1.2 RTLAB數(shù)字輸出

OP5354數(shù)字輸出板卡與接口板中FPGA芯片的接口電路如圖6所示。

電平邏輯：

4.2外圍電路

4.2.1充放電繼電器

采用兩個(gè)GT24C高壓繼電器，控制線圈電壓24 V，線圈電阻180Ω±10%，充電電阻為兩個(gè)3.3 kΩ/50W功率電阻串聯(lián)。放電回路使用相同型號(hào)的高壓繼電器一個(gè)，串聯(lián)一個(gè)放電電阻3.3 kΩ/50 W。主回路中僅使用繼電器的常開（NO）觸點(diǎn)。繼電器控制電路如圖7所示。其中D17作用為保護(hù)光耦一次側(cè)發(fā)光二極管，SMAZ10作用為保護(hù)光耦二次側(cè)晶體管。OUT1為低電平時(shí)，TLP521一次側(cè)發(fā)光二極管導(dǎo)通，二次側(cè)晶體管導(dǎo)通。

4.2.2故障報(bào)警燈

選用帶鎖扣的紅色按鈕，使用常開（NO）觸點(diǎn)。電路圖如圖8所示。緊急停機(jī)按鈕按下時(shí)，常開觸點(diǎn)閉合，TLP521一次側(cè)發(fā)光二極管導(dǎo)通。

5實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果驗(yàn)證

基于搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了三電平H橋直流變換器不同工況下的實(shí)時(shí)仿真和離線仿真實(shí)驗(yàn)。由于篇幅有限，取50%額定負(fù)載突加100%額定負(fù)載和過載限流兩種典型工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證說明。

5.150%額定負(fù)載突加100%額定負(fù)載動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)

由50%額定負(fù)載突加100%額定負(fù)載的實(shí)時(shí)仿真如圖9所示，離線仿真如圖10所示。

對(duì)比實(shí)時(shí)仿真和離線仿真的結(jié)果，如表1所示：

?

由實(shí)驗(yàn)波形圖和仿真結(jié)果表格對(duì)比可得，實(shí)時(shí)仿真和離線仿真結(jié)果基本相符。

5.2過載限流實(shí)驗(yàn)

過載限流的實(shí)時(shí)仿真如圖11所示，離線仿真如圖12所示。由實(shí)驗(yàn)波形圖和仿真結(jié)果表格對(duì)比可得，實(shí)時(shí)仿真和離線仿真結(jié)果基本相符。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)時(shí)仿真模型能夠反映直流變換器不同工況的特性。對(duì)比實(shí)時(shí)仿真和離線仿真的結(jié)果，如表2所示。

6結(jié)束語

本文基于RT_LAB實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，構(gòu)建了三電平直流變換器RCP實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)三電平H橋直流變換器進(jìn)行了半實(shí)物仿真，得到了50%額定負(fù)載突加100%額定負(fù)載和過載限流兩種不同工況下的實(shí)時(shí)仿真波形，并與PSCAD離線仿真進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明此RCP實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠準(zhǔn)確反映三電平直流變換器的動(dòng)靜態(tài)特性。

［1]謝楨，付立軍，肖飛，王瑞田.變換器模式快速識(shí)別PI自適應(yīng)控制策略［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2013，17（1）:25-30.

［2]傅望，崔坤龍，羅時(shí)武.RT_LAB分布式實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)及其在電力電子中的應(yīng)用［C］.2013年中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集，2013:1-6.

［3］WASHINGTONC，DOLMANJ.Creatingnext generation HIL simulators with FPGA technology［C］. ProceedingsfortheIEEEAUTOTESTCON Conference.Piscataway:IEEE，2010:1-6.

［4]王堅(jiān).電力電子系統(tǒng)硬件在回路仿真技術(shù)的探討［J］.大功率變流技術(shù)，2011，（2）:1-5.

［5]薛偉敏，陳次祥，陸佩忠.實(shí)時(shí)仿真技術(shù)在船舶電力系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.上海造船，2010，（2）:42-45.

Experimental Platform Design of Three-Level H-Bridge DC/DC Converter Based on RCP Real-time Simulation

Guo Penghui，F(xiàn)an Xuexin，Wang Ruitian，Xie Zhen，Wang Guangsen
（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Three-level and multi-level converter topologies are widely used in distributed generation，HVDC and other fields.Real-time simulation is a novel research tool for the converter research.This paper builds a real-time simulation platform for rapid control prototyping（RCP）of the three-level H-bridge DC/DC converter based on RT_LAB，introduces its basic structure，hardware and software design，and conducts a three-level H-bridge DC/DC converter simulation under different conditions.The results are consistent with offline simulation results and the reasonability of real-time simulation platform is verified.

RCP；real-time simulation；three-level H-bridge DC/DC converter

TM461

A

1003-4862（2016）07-0005-04

2015-10-15

國(guó)家自然科學(xué)基金（51477179，51477180），海軍工程大學(xué)科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目

郭鵬輝（1995-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。