实时仿真器的PWM逆变器实验方法

余 敏， 郝正航， 陈 卓， 谈竹奎， 徐玉韬

(1.贵州大学 电气工程学院，贵阳 550025;2.贵州电网有限公司 电力科学研究院，贵阳 550005)

0 引 言

强化工科学生工程实践能力是培养创新型人才的重要途径，也是“卓越工程师教育培养计划”的精髓所在，对于教学而言，首要任务是创建面向培养学生工程实践能力的实验或实践平台，着力提升学生理论联系实际的水平，为实施人才强国战略服务[1]。以电力电子技术教学为例，传统的仿真软件Matlab/Simulink、PSCAD等仅能满足对工程服务[1-3]，忽略了工程实际的诸多影响因素，也弱化了对工程实际情况下各种问题的思考及解决[4-6]。针对国内电气专业对该课程实践教学环节的欠缺，本文提出基于实时仿真器的PWM逆变器实验方法实现了Matlab/Simulink仿真软件与实时仿真器的有机结合，自由建模给予学生创新想象空间，硬件接线环节训练学生实际操作，该实验方法为电力电子技术课程教学和工程实践提供了一种新的思路。

1 实验平台

1.1 数字实时仿真器

实验平台使用的核心仪器是自行研发的通用实时仿真器(Universal Real-time Simulation Platform, UREP)。UREP包含多核处理器、高速通信卡、I/O设备、监控软件和实时操作系统，具有快速控制原型、功率级快速控制原型、硬件在环和功率级硬件在环4项基本功能，仿真步长最短可达30 μs，其中I/O通道支持±10 V模拟信号的输入、输出、TLL电平形式的数字信号输入、输出[7]。根据实验内容，教师和学生可以直接利用Matlab/Simulink建立仿真模型，将Simulink模型编译成C代码，并下载到实时仿真器进行实时仿真，如控制、测试以及理论验证等实验。

1.2 半实物仿真

数字实时仿真器的主要优势在于可开展半实物仿真实验，半实物仿真常用于新设备开发，用于本科教学尚处于探索阶段。半实物仿真可以分为：硬件在环(Hardware in the Loop，HIL)和快速控制原型(Rapid Control Prototyping，RCP)。HIL是指控制对象由仿真机模拟，系统的部分实物(控制器)通过仿真机的输入、输出板卡接入仿真回路中，进而完成整个系统的设计与测试；RCP是指在控制器的构想阶段，设计者可以针对实际控制对象将新的控制思路在仿真机上进行测试。通过实时测试，可以在设计初期发现存在的问题，以便修改原型或参数，再进行实时测试，这样反复进行，最终产生一个合理可行的控制原型[8-10]。HIL和RCP两种实验模式不仅能够实时仿真，而且可以实时显示波形、实时修改系统参数。

本文采用RCP联合HIL的纯数字实时仿真的实验方法，其主要任务是使学生通过实验，深刻体验闭环控制系统的控制器和控制对象的含义，认识输入和输出信号的逻辑关系。在RCP联合HIL的逆变电路实验中，学生可以明确主电路和PWM控制器之间的关系，以增强学生的整体构思能力、实践动手能力，真正达到知识转化为能力的实验教学目的。

2 离线仿真

在进行RCP联合HIL逆变电路控制实验之前，必须先进行离线仿真建模，以确保控制器和控制对象模型的正确性，离线仿真是进行本实验的必要前提[11-13]。基于Matlab/Simulink元件库搭建如图1所示的仿真模型，模型包含6单元,IGBT主电路、LC滤波器、负载、PWM发生器、PI调节器及示波器模块。其原理：为使逆变电路输出线电压uAB的有效值UAB等于给定值UAB_ref。以UAB为反馈量与给定值UAB_ref作比较，输出的误差作为输入给PI调节器，其最终输出的控制量即为闭环控制下的调制比m，就此形成闭环控制系统。直流侧采用直流电压源，逆变侧接电阻性负载，同时采用LC低通滤波器，滤除高次谐波。

图1 闭环离线仿真图

在工程设计中，直接计算不同m值下的开关频率将相当繁复，有必要寻找更简捷的方法。在满足开关频率f≫1，m<1的条件下，采用平均值模型分析法。据此，逆变线电压的基波幅值及有效值[14]如式下：

本实验中给定Ud=300 V，f=2 kHz，离线仿真结果如图2所示。仿真结果证明了所建模型的原理及闭环控制的可行性，为实时仿真实验提供了良好的开端。

(a) UAB_ref=91.8 V

(b) UAB_ref=183.6 V

(c) UAB_ref=91.8～183.6 V

3 实验方案

实验方案总体架构如图3所示，包括上位机、LabVIEW监控平台、实时仿真器及以太网交换机。具体实现过程：首先，打开上位机安装的电力系统仿真工具Simulink，按文献[15]进行PWM逆变器主电路和控制器仿真模型的搭建；其次，完成实时仿真器外部硬件电路的连接，并将Simulink搭建的PWM逆变仿真模型，由编译器编译成C代码，通过以太网将模型代码下载到实时仿真器；最后，同时运行实时仿真器和LabVIEW监控平台，进行实时仿真实验。其中LabVIEW监控平台是实时仿真实验中不可或缺的一部分，通过监控平台设置控制参数、保存和分析实验数据，以达到实时监测、控制以及数据记录的目的[16]。

图3 基于实时仿真器的实验方案图

4 实时仿真结果及分析

4.1 接线原理

半实物仿真系统包括RCP仿真系统和HIL仿真系统，RCP通过虚拟控制器控制实际对象，而HIL则通过实际控制器实现对虚拟对象的控制。利用HIL对主电路进行模拟，利用RCP对触发及控制系统进行模拟。

在对半实物仿真系统充分理解后，按照如下方式进行实时仿真接线:HIL部分输出的交流侧线电压uAB通过仿真器模拟量输出口(AO)输出；各个IGBT的触发脉冲通过仿真器数字量输入口(DI)接收。RCP部分需要采集的交流线电压uAB及其有效值UAB通过仿真器的模拟量输入口(AI)得到；产生6路触发脉冲通过数字量输出口(DO)输出。基于上述原理对实际I/O设备进行对应端口连接，实现模拟与数字信号的实时传输，如图4所示。

图4 HIL和RCP信号传递模型图

4.2 实验分析

4.2.1 LabVIEW实时监测波形

由图5(a)、(b)波形分析可知，通过LabVIEW监控平台，将给定值UAB_ref分别设置为91.8 V和183.6 V时，逆变输出线电压为周期0.02 s，频率50 Hz的标准正弦波，同时UAB分别稳定在两值附近。

图5(c)是通过LabVIEW监控平台，将给定值UAB_ref设置为91.8 V，稳定运行一段时间后，将给定值改为183.6 V，实验波形通过PI控制实现了快速跟踪。

4.2.2 示波器实时跟踪波形

示波器通过连接实时仿真器实际的I/O板对应端口，测得的uAB及UAB波形经标度转换如图6所示。

基于实时仿真实验结果与离线仿真结果对比分析，证明了该实验方案的优越性。其中，逆变电压的快速跟踪效果与PI控制参数有很大的关系，PI参数整定也是本实验的重要内容。

(a)UAB_ref=91.8 V

(b)UAB_ref=183.6 V

(c)UAB_ref=91.8～183.6 V

图5 逆变侧线电压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

图6 逆变侧线电压uAB及有效值UAB

5 结 语

实践教学改革的技术支撑是实验方法和实验仪器的更新，与传统的实验教学手段相比，本文提出的HIL和RCP联合实验平台及实验方法的先进性体现在：对比传统的离线仿真实验，该方法涉及到控制器和控制对象之间的实际接线，学生将用到示波器等设备观测实际信号波形，训练了学生的实际动手能力；对比传统电力电子实验箱，该方法允许学生自由搭建主电路和控制模型，激发了学生的兴趣和创新意识。该方法实现了理论和实践的交互和统一，弥补了传统实践教学中的一些不足。在同一台仿真机上进行HIL和RCP联合的纯数字实时仿真的实验方法，具有方便性、灵活性和可拓展性。

该实验方法既有离线仿真，又有实时仿真，两者结合服务于教学实践，其中的实时仿真器发挥核心作用。结合实时仿真器的创新实验方法在电力电子实验教学中可以取得较好的实践效果，不但能提高学生的学习积极性，也能培养学生的动手能力和实验创新意识，基本满足了“卓越工程师教育培养计划”的要求。