實時仿真器的PWM逆變器實驗方法

余 敏， 郝正航， 陳 卓， 談竹奎， 徐玉韜

(1.貴州大學 電氣工程學院，貴陽 550025;2.貴州電網有限公司 電力科學研究院，貴陽 550005)

0 引 言

強化工科學生工程實踐能力是培養創新型人才的重要途徑，也是“卓越工程師教育培養計劃”的精髓所在，對于教學而言，首要任務是創建面向培養學生工程實踐能力的實驗或實踐平臺，著力提升學生理論聯系實際的水平，為實施人才強國戰略服務[1]。以電力電子技術教學為例，傳統的仿真軟件Matlab/Simulink、PSCAD等僅能滿足對工程服務[1-3]，忽略了工程實際的諸多影響因素，也弱化了對工程實際情況下各種問題的思考及解決[4-6]。針對國內電氣專業對該課程實踐教學環節的欠缺，本文提出基于實時仿真器的PWM逆變器實驗方法實現了Matlab/Simulink仿真軟件與實時仿真器的有機結合，自由建模給予學生創新想象空間，硬件接線環節訓練學生實際操作，該實驗方法為電力電子技術課程教學和工程實踐提供了一種新的思路。

1 實驗平臺

1.1 數字實時仿真器

實驗平臺使用的核心儀器是自行研發的通用實時仿真器(Universal Real-time Simulation Platform, UREP)。UREP包含多核處理器、高速通信卡、I/O設備、監控軟件和實時操作系統，具有快速控制原型、功率級快速控制原型、硬件在環和功率級硬件在環4項基本功能，仿真步長最短可達30 μs，其中I/O通道支持±10 V模擬信號的輸入、輸出、TLL電平形式的數字信號輸入、輸出[7]。根據實驗內容，教師和學生可以直接利用Matlab/Simulink建立仿真模型，將Simulink模型編譯成C代碼，并下載到實時仿真器進行實時仿真，如控制、測試以及理論驗證等實驗。

1.2 半實物仿真

數字實時仿真器的主要優勢在于可開展半實物仿真實驗，半實物仿真常用于新設備開發，用于本科教學尚處于探索階段。半實物仿真可以分為：硬件在環(Hardware in the Loop，HIL)和快速控制原型(Rapid Control Prototyping，RCP)。HIL是指控制對象由仿真機模擬，系統的部分實物(控制器)通過仿真機的輸入、輸出板卡接入仿真回路中，進而完成整個系統的設計與測試；RCP是指在控制器的構想階段，設計者可以針對實際控制對象將新的控制思路在仿真機上進行測試。通過實時測試，可以在設計初期發現存在的問題，以便修改原型或參數，再進行實時測試，這樣反復進行，最終產生一個合理可行的控制原型[8-10]。HIL和RCP兩種實驗模式不僅能夠實時仿真，而且可以實時顯示波形、實時修改系統參數。

本文采用RCP聯合HIL的純數字實時仿真的實驗方法，其主要任務是使學生通過實驗，深刻體驗閉環控制系統的控制器和控制對象的含義，認識輸入和輸出信號的邏輯關系。在RCP聯合HIL的逆變電路實驗中，學生可以明確主電路和PWM控制器之間的關系，以增強學生的整體構思能力、實踐動手能力，真正達到知識轉化為能力的實驗教學目的。

2 離線仿真

在進行RCP聯合HIL逆變電路控制實驗之前，必須先進行離線仿真建模，以確保控制器和控制對象模型的正確性，離線仿真是進行本實驗的必要前提[11-13]。基于Matlab/Simulink元件庫搭建如圖1所示的仿真模型，模型包含6單元,IGBT主電路、LC濾波器、負載、PWM發生器、PI調節器及示波器模塊。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調節器，其最終輸出的控制量即為閉環控制下的調制比m，就此形成閉環控制系統。直流側采用直流電壓源，逆變側接電阻性負載，同時采用LC低通濾波器，濾除高次諧波。

圖1 閉環離線仿真圖

在工程設計中，直接計算不同m值下的開關頻率將相當繁復，有必要尋找更簡捷的方法。在滿足開關頻率f?1，m<1的條件下，采用平均值模型分析法。據此，逆變線電壓的基波幅值及有效值[14]如式下：

本實驗中給定Ud=300 V，f=2 kHz，離線仿真結果如圖2所示。仿真結果證明了所建模型的原理及閉環控制的可行性，為實時仿真實驗提供了良好的開端。

(a) UAB_ref=91.8 V

(b) UAB_ref=183.6 V

(c) UAB_ref=91.8～183.6 V

3 實驗方案

實驗方案總體架構如圖3所示，包括上位機、LabVIEW監控平臺、實時仿真器及以太網交換機。具體實現過程：首先，打開上位機安裝的電力系統仿真工具Simulink，按文獻[15]進行PWM逆變器主電路和控制器仿真模型的搭建；其次，完成實時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，通過以太網將模型代碼下載到實時仿真器；最后，同時運行實時仿真器和LabVIEW監控平臺，進行實時仿真實驗。其中LabVIEW監控平臺是實時仿真實驗中不可或缺的一部分，通過監控平臺設置控制參數、保存和分析實驗數據，以達到實時監測、控制以及數據記錄的目的[16]。

圖3 基于實時仿真器的實驗方案圖

4 實時仿真結果及分析

4.1 接線原理

半實物仿真系統包括RCP仿真系統和HIL仿真系統，RCP通過虛擬控制器控制實際對象，而HIL則通過實際控制器實現對虛擬對象的控制。利用HIL對主電路進行模擬，利用RCP對觸發及控制系統進行模擬。

在對半實物仿真系統充分理解后，按照如下方式進行實時仿真接線:HIL部分輸出的交流側線電壓uAB通過仿真器模擬量輸出口(AO)輸出；各個IGBT的觸發脈沖通過仿真器數字量輸入口(DI)接收。RCP部分需要采集的交流線電壓uAB及其有效值UAB通過仿真器的模擬量輸入口(AI)得到；產生6路觸發脈沖通過數字量輸出口(DO)輸出。基于上述原理對實際I/O設備進行對應端口連接，實現模擬與數字信號的實時傳輸，如圖4所示。

圖4 HIL和RCP信號傳遞模型圖

4.2 實驗分析

4.2.1 LabVIEW實時監測波形

由圖5(a)、(b)波形分析可知，通過LabVIEW監控平臺，將給定值UAB_ref分別設置為91.8 V和183.6 V時，逆變輸出線電壓為周期0.02 s，頻率50 Hz的標準正弦波，同時UAB分別穩定在兩值附近。

圖5(c)是通過LabVIEW監控平臺，將給定值UAB_ref設置為91.8 V，穩定運行一段時間后，將給定值改為183.6 V，實驗波形通過PI控制實現了快速跟蹤。

4.2.2 示波器實時跟蹤波形

示波器通過連接實時仿真器實際的I/O板對應端口，測得的uAB及UAB波形經標度轉換如圖6所示。

基于實時仿真實驗結果與離線仿真結果對比分析，證明了該實驗方案的優越性。其中，逆變電壓的快速跟蹤效果與PI控制參數有很大的關系，PI參數整定也是本實驗的重要內容。

(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 逆變側線電壓uAB及有效值UAB

5 結 語

實踐教學改革的技術支撐是實驗方法和實驗儀器的更新，與傳統的實驗教學手段相比，本文提出的HIL和RCP聯合實驗平臺及實驗方法的先進性體現在：對比傳統的離線仿真實驗，該方法涉及到控制器和控制對象之間的實際接線，學生將用到示波器等設備觀測實際信號波形，訓練了學生的實際動手能力；對比傳統電力電子實驗箱，該方法允許學生自由搭建主電路和控制模型，激發了學生的興趣和創新意識。該方法實現了理論和實踐的交互和統一，彌補了傳統實踐教學中的一些不足。在同一臺仿真機上進行HIL和RCP聯合的純數字實時仿真的實驗方法，具有方便性、靈活性和可拓展性。

該實驗方法既有離線仿真，又有實時仿真，兩者結合服務于教學實踐，其中的實時仿真器發揮核心作用。結合實時仿真器的創新實驗方法在電力電子實驗教學中可以取得較好的實踐效果，不但能提高學生的學習積極性，也能培養學生的動手能力和實驗創新意識，基本滿足了“卓越工程師教育培養計劃”的要求。