余 敏， 郝正航， 陳 卓， 談竹奎， 徐玉韜

(1.貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025;2.貴州電網(wǎng)有限公司 電力科學(xué)研究院，貴陽(yáng) 550005)

0 引 言

強(qiáng)化工科學(xué)生工程實(shí)踐能力是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑，也是“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的精髓所在，對(duì)于教學(xué)而言，首要任務(wù)是創(chuàng)建面向培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的實(shí)驗(yàn)或?qū)嵺`平臺(tái)，著力提升學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的水平，為實(shí)施人才強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略服務(wù)[1]。以電力電子技術(shù)教學(xué)為例，傳統(tǒng)的仿真軟件Matlab/Simulink、PSCAD等僅能滿足對(duì)工程服務(wù)[1-3]，忽略了工程實(shí)際的諸多影響因素，也弱化了對(duì)工程實(shí)際情況下各種問(wèn)題的思考及解決[4-6]。針對(duì)國(guó)內(nèi)電氣專業(yè)對(duì)該課程實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的欠缺，本文提出基于實(shí)時(shí)仿真器的PWM逆變器實(shí)驗(yàn)方法實(shí)現(xiàn)了Matlab/Simulink仿真軟件與實(shí)時(shí)仿真器的有機(jī)結(jié)合，自由建模給予學(xué)生創(chuàng)新想象空間，硬件接線環(huán)節(jié)訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際操作，該實(shí)驗(yàn)方法為電力電子技術(shù)課程教學(xué)和工程實(shí)踐提供了一種新的思路。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1.1 數(shù)字實(shí)時(shí)仿真器

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使用的核心儀器是自行研發(fā)的通用實(shí)時(shí)仿真器(Universal Real-time Simulation Platform, UREP)。UREP包含多核處理器、高速通信卡、I/O設(shè)備、監(jiān)控軟件和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，具有快速控制原型、功率級(jí)快速控制原型、硬件在環(huán)和功率級(jí)硬件在環(huán)4項(xiàng)基本功能，仿真步長(zhǎng)最短可達(dá)30 μs，其中I/O通道支持±10 V模擬信號(hào)的輸入、輸出、TLL電平形式的數(shù)字信號(hào)輸入、輸出[7]。根據(jù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教師和學(xué)生可以直接利用Matlab/Simulink建立仿真模型，將Simulink模型編譯成C代碼，并下載到實(shí)時(shí)仿真器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真，如控制、測(cè)試以及理論驗(yàn)證等實(shí)驗(yàn)。

1.2 半實(shí)物仿真

數(shù)字實(shí)時(shí)仿真器的主要優(yōu)勢(shì)在于可開(kāi)展半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)，半實(shí)物仿真常用于新設(shè)備開(kāi)發(fā)，用于本科教學(xué)尚處于探索階段。半實(shí)物仿真可以分為：硬件在環(huán)(Hardware in the Loop，HIL)和快速控制原型(Rapid Control Prototyping，RCP)。HIL是指控制對(duì)象由仿真機(jī)模擬，系統(tǒng)的部分實(shí)物(控制器)通過(guò)仿真機(jī)的輸入、輸出板卡接入仿真回路中，進(jìn)而完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試；RCP是指在控制器的構(gòu)想階段，設(shè)計(jì)者可以針對(duì)實(shí)際控制對(duì)象將新的控制思路在仿真機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)試，可以在設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)存在的問(wèn)題，以便修改原型或參數(shù)，再進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)試，這樣反復(fù)進(jìn)行，最終產(chǎn)生一個(gè)合理可行的控制原型[8-10]。HIL和RCP兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ讲粌H能夠?qū)崟r(shí)仿真，而且可以實(shí)時(shí)顯示波形、實(shí)時(shí)修改系統(tǒng)參數(shù)。

本文采用RCP聯(lián)合HIL的純數(shù)字實(shí)時(shí)仿真的實(shí)驗(yàn)方法，其主要任務(wù)是使學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)，深刻體驗(yàn)閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制器和控制對(duì)象的含義，認(rèn)識(shí)輸入和輸出信號(hào)的邏輯關(guān)系。在RCP聯(lián)合HIL的逆變電路實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以明確主電路和PWM控制器之間的關(guān)系，以增強(qiáng)學(xué)生的整體構(gòu)思能力、實(shí)踐動(dòng)手能力，真正達(dá)到知識(shí)轉(zhuǎn)化為能力的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的。

2 離線仿真

在進(jìn)行RCP聯(lián)合HIL逆變電路控制實(shí)驗(yàn)之前，必須先進(jìn)行離線仿真建模，以確保控制器和控制對(duì)象模型的正確性，離線仿真是進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)的必要前提[11-13]?；贛atlab/Simulink元件庫(kù)搭建如圖1所示的仿真模型，模型包含6單元,IGBT主電路、LC濾波器、負(fù)載、PWM發(fā)生器、PI調(diào)節(jié)器及示波器模塊。其原理：為使逆變電路輸出線電壓uAB的有效值UAB等于給定值UAB_ref。以UAB為反饋量與給定值UAB_ref作比較，輸出的誤差作為輸入給PI調(diào)節(jié)器，其最終輸出的控制量即為閉環(huán)控制下的調(diào)制比m，就此形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。直流側(cè)采用直流電壓源，逆變側(cè)接電阻性負(fù)載，同時(shí)采用LC低通濾波器，濾除高次諧波。

圖1 閉環(huán)離線仿真圖

在工程設(shè)計(jì)中，直接計(jì)算不同m值下的開(kāi)關(guān)頻率將相當(dāng)繁復(fù)，有必要尋找更簡(jiǎn)捷的方法。在滿足開(kāi)關(guān)頻率f?1，m<1的條件下，采用平均值模型分析法。據(jù)此，逆變線電壓的基波幅值及有效值[14]如式下：

本實(shí)驗(yàn)中給定Ud=300 V，f=2 kHz，離線仿真結(jié)果如圖2所示。仿真結(jié)果證明了所建模型的原理及閉環(huán)控制的可行性，為實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)提供了良好的開(kāi)端。

(a) UAB_ref=91.8 V

(b) UAB_ref=183.6 V

(c) UAB_ref=91.8～183.6 V

3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)方案總體架構(gòu)如圖3所示，包括上位機(jī)、LabVIEW監(jiān)控平臺(tái)、實(shí)時(shí)仿真器及以太網(wǎng)交換機(jī)。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程：首先，打開(kāi)上位機(jī)安裝的電力系統(tǒng)仿真工具Simulink，按文獻(xiàn)[15]進(jìn)行PWM逆變器主電路和控制器仿真模型的搭建；其次，完成實(shí)時(shí)仿真器外部硬件電路的連接，并將Simulink搭建的PWM逆變仿真模型，由編譯器編譯成C代碼，通過(guò)以太網(wǎng)將模型代碼下載到實(shí)時(shí)仿真器；最后，同時(shí)運(yùn)行實(shí)時(shí)仿真器和LabVIEW監(jiān)控平臺(tái)，進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)。其中LabVIEW監(jiān)控平臺(tái)是實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)中不可或缺的一部分，通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)設(shè)置控制參數(shù)、保存和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制以及數(shù)據(jù)記錄的目的[16]。

圖3 基于實(shí)時(shí)仿真器的實(shí)驗(yàn)方案圖

4 實(shí)時(shí)仿真結(jié)果及分析

4.1 接線原理

半實(shí)物仿真系統(tǒng)包括RCP仿真系統(tǒng)和HIL仿真系統(tǒng)，RCP通過(guò)虛擬控制器控制實(shí)際對(duì)象，而HIL則通過(guò)實(shí)際控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬對(duì)象的控制。利用HIL對(duì)主電路進(jìn)行模擬，利用RCP對(duì)觸發(fā)及控制系統(tǒng)進(jìn)行模擬。

在對(duì)半實(shí)物仿真系統(tǒng)充分理解后，按照如下方式進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真接線:HIL部分輸出的交流側(cè)線電壓uAB通過(guò)仿真器模擬量輸出口(AO)輸出；各個(gè)IGBT的觸發(fā)脈沖通過(guò)仿真器數(shù)字量輸入口(DI)接收。RCP部分需要采集的交流線電壓uAB及其有效值UAB通過(guò)仿真器的模擬量輸入口(AI)得到；產(chǎn)生6路觸發(fā)脈沖通過(guò)數(shù)字量輸出口(DO)輸出。基于上述原理對(duì)實(shí)際I/O設(shè)備進(jìn)行對(duì)應(yīng)端口連接，實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸，如圖4所示。

圖4 HIL和RCP信號(hào)傳遞模型圖

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

4.2.1 LabVIEW實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)波形

由圖5(a)、(b)波形分析可知，通過(guò)LabVIEW監(jiān)控平臺(tái)，將給定值UAB_ref分別設(shè)置為91.8 V和183.6 V時(shí)，逆變輸出線電壓為周期0.02 s，頻率50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，同時(shí)UAB分別穩(wěn)定在兩值附近。

圖5(c)是通過(guò)LabVIEW監(jiān)控平臺(tái)，將給定值UAB_ref設(shè)置為91.8 V，穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，將給定值改為183.6 V，實(shí)驗(yàn)波形通過(guò)PI控制實(shí)現(xiàn)了快速跟蹤。

4.2.2 示波器實(shí)時(shí)跟蹤波形

示波器通過(guò)連接實(shí)時(shí)仿真器實(shí)際的I/O板對(duì)應(yīng)端口，測(cè)得的uAB及UAB波形經(jīng)標(biāo)度轉(zhuǎn)換如圖6所示。

基于實(shí)時(shí)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與離線仿真結(jié)果對(duì)比分析，證明了該實(shí)驗(yàn)方案的優(yōu)越性。其中，逆變電壓的快速跟蹤效果與PI控制參數(shù)有很大的關(guān)系，PI參數(shù)整定也是本實(shí)驗(yàn)的重要內(nèi)容。

(a)UAB_ref=91.8 V

(b)UAB_ref=183.6 V

(c)UAB_ref=91.8～183.6 V

圖5 逆變側(cè)線電壓uAB及有效值UAB

(a)UAB_ref=91.8 V

(b)UAB_ref=183.6 V

(c)UAB_ref=91.8～183.6 V

圖6 逆變側(cè)線電壓uAB及有效值UAB

5 結(jié) 語(yǔ)

實(shí)踐教學(xué)改革的技術(shù)支撐是實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)儀器的更新，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段相比，本文提出的HIL和RCP聯(lián)合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方法的先進(jìn)性體現(xiàn)在：對(duì)比傳統(tǒng)的離線仿真實(shí)驗(yàn)，該方法涉及到控制器和控制對(duì)象之間的實(shí)際接線，學(xué)生將用到示波器等設(shè)備觀測(cè)實(shí)際信號(hào)波形，訓(xùn)練了學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力；對(duì)比傳統(tǒng)電力電子實(shí)驗(yàn)箱，該方法允許學(xué)生自由搭建主電路和控制模型，激發(fā)了學(xué)生的興趣和創(chuàng)新意識(shí)。該方法實(shí)現(xiàn)了理論和實(shí)踐的交互和統(tǒng)一，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)中的一些不足。在同一臺(tái)仿真機(jī)上進(jìn)行HIL和RCP聯(lián)合的純數(shù)字實(shí)時(shí)仿真的實(shí)驗(yàn)方法，具有方便性、靈活性和可拓展性。

該實(shí)驗(yàn)方法既有離線仿真，又有實(shí)時(shí)仿真，兩者結(jié)合服務(wù)于教學(xué)實(shí)踐，其中的實(shí)時(shí)仿真器發(fā)揮核心作用。結(jié)合實(shí)時(shí)仿真器的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法在電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中可以取得較好的實(shí)踐效果，不但能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，也能培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新意識(shí)，基本滿足了“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的要求。