电力电子HIL教学平台设计

唐 欣， 席燕辉， 王 文

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙，410014)

0 引言

随着电力电子技术广泛应用于电力系统的发、输、配和用等各个环节，“电力电子技术”课程已成为电气工程及其自动化专业非常重要的一门专业基础课程[1～2]。“电力电子技术”课程是一门工程性很强的课程，实验教学显得尤为重要。传统的电力电子实验教学设备提供的实验以验证性为主，不能提供PWM变流器并网和相控变流器有源逆变等实验，难以满足解决复杂工程问题能力和创新思维的培养，也无法满足学生掌握电力新技术的要求[3～4]。

为降低成本和减少开发时间，近年来，硬件在环HIL(hardware in loop)技术迅速发展，广泛应用在电力系统研究、自动装置开发等领域。文献[5]中采用RT-LAB搭建燃料电池/超级电容混合动力系统HIL控制结构；文献[6]采用dSPACE设计了永磁同步电机控制器的HIL实验平台，改善测试调节；文献[7]中搭建了基于RTDS的风电场接入串补输电系统实时仿真HIL系统，用于网侧次同步阻尼控制器抑制次同步谐振；文献[8]中一汽集团采用NI硬件搭建HIL系统，并将其应用到整车系统，测试效率大幅提高，并且降低了汽车售后的电气故障发生率和返修率；文献[9]中基于PXI设计了BMS硬件在环测试系统，确保BMS产品设计过程的安全性、稳定性和可靠性分析。

上述HIL技术主要用于研究和产品开发，往往需要高速采集卡和I/O接口板，成本较高而不适用于本科实验教学。当前高校符合电力电子实验教学的平台研发较少，文献[10] 针对电力电子与电力传动方向设计了一种DSP28335作为控制器的硬件在环教学实验平台，但仍需要采集和接口电路。为加强培养本科生的解决复杂工程问题能力和创新思维，本文针对电力电子技术实验教学设计了一种基于Simulink的硬件在环实验平台。该平台设计了串行通信接口，用于仿真部分与物理部分之间的数据交换，取代了传统电力电子HIL平台所需的FPGA板、采样板和I/O板等信号接口。为了方便开展不同复杂对象的实验，并降低安全风险，主电路的控制器是物理实现的，系统的其余部分(包括与电网或负载相连的电力电子电路)在MATLAB的Simulink中进行了仿真。此外，针对本科生的学习特点，为学生提供了模块化控制程序设计及代码自动生成的开发环境。

1 电力电子HIL教学平台设计

1.1 平台的结构

电力电子HIL教学平台如图1所示。

图1 电力电子HIL教学平台结构

系统由上位机、控制板、DSP仿真器和串行通信电路组成。上位机用于运行电力电子系统的功率电路，控制板用于运行电力电子系统控制算法， DSP仿真器用于基于Simulink生成的程序下载，串行通信电路用于硬件在环运行时主电路部分与控制部分之间的数据交换。

1.2 平台软硬件组成

上位机相关的软件有Matlab/Simulink和CCS，其中，Simulink实现控制代码的自动生成，并在硬件在环仿真实验时仿真主电路的运行情况。控制板结构图如图2所示，包括主控芯片TMS320F28335、串行通信电路、JTAG口及其它片外资源，其中，TMS320F28335是目前电力电子装置主流的控制芯片，串行通信电路是标准的RS-232通信接口，JTAG口用于程序下载。

图2 控制电路结构图

1.3 仿真实验步骤

(1)在Simulink中建立电力电子系统的数字仿真模型。

(2)根据DSP芯片类型配置MATLAB软件的编译参数。

(3)将控制算法封装在一个子系统模块中，并将其部署到硬件上，生成一个HIL模块。

(4)用HIL模块代替原有的控制算法子系统模块。

(5)配置计算机的串行端口，并在MATLAB软件中设置该端口。

(6)在Simulink环境下运行HIL模型(该操作自动完成：由Simulink生成控制算法代码并通过DSP仿真器下载到控制器中，以及电力电子系统硬件在环仿真实验。在仿真实验中，主电路在Simulink中模拟运行并将主电路的电压、电流信号通过串行通信传送给控制板，同时控制器的产生的控制信号也传送给Simulink中的主电路。)

2 仿真实验模型的搭建与测试

电力电子HIL教学平台不仅可以实现AC-DC、DC-DC、AC-AC和DC-AC基本电能变换的仿真实验，而且可以开展复杂系统的高阶实验，电力电子HIL教学实验室如图3所示。

图3 电力电子HIL教学实验室

本文根据解决复杂工程问题能力的培养要求，以三相PWM逆变电路为例，介绍利用电力电子HIL教学平台实施实验教学的案例，表1给出该实验的教学目标。

表1 逆变电路仿真实验的教学目标

基于HIL仿真的三相PWM逆变电路实验要求学生在Simulink中搭建并网逆变主电路和控制系统代码模型，采用电力电子HIL教学平台构成处理器在环系统，实现三相逆变器并网电流有功、无功的分别控制。该实验教学内容主要包括：

(1)三相PWM逆变电路SPWM调制方法、阀侧电压调节方法；

(2)三相PWM并网逆变电路电流控制原理，包括锁相方法、参考电流生成方法、电流控制方法；

(3)三相PWM并网逆变电路电流解耦控制方法，包括DQ变换方法、并网电流解耦原理，解耦控制方法；

(4)搭建三相PWM并网逆变电路离线仿真模型，实现并网电流有功、无功解耦控制；

(5)搭建三相PWM并网逆变电路HIL仿真实验模型，实现处理器在环控制系统。

2.1 模型搭建

1)在Simulink中搭建全数字模型

一个典型三相PWM逆变器的Simulink仿真模型如图4所示,主要包括逆变桥电路、控制电路和LC低通滤波电路三部分。逆变桥将直流电流转换成交流电流并通过LC电路滤除谐波给负荷供电。在控制电路中，采用基于PI算法的双闭环控制系统产生PWM波形。此外，电流测量块和电压测量块用于测量交、直流的电流和电压。

图4 三相PWM逆变电路全数字仿真模型

图5 三相PWM逆变电路HIL模型

2) HIL的实现

在Simulink中对所设计的模型进行测试后，需要将控制算法封装在一个子系统模块中，并部署到硬件上，生成一个HIL模块。控制算法的HIL模块可以通过单击图4中的控制算法子系统模块来创建(具体操作为右击子系统模块，在下拉菜单中选择“C/C++ code”条目中“Deploy this Subsystem to Hardware”条目)，该操作实现了代码生成和编译。最后，用控制算法的HIL模块替换原始子系统模块，生成HIL模型如图5所示。

2.2 仿真实验结果

对上述全数字仿真模型和HIL模型分别进行测试。图6(a)和(b)分别给出了基于全数字仿真方式和HIL方式三相PWM逆变器的输出电压波形。

(a)全数字仿真方式

(b)HIL方式图6 三相PWM逆变电路的输出电压波形

图7(a)和(b)分别给出了启动过程中逆变器输出的线电压和电流的波形，图中实线表示基于全数字方式逆变电路产生的波形，虚线表示基于HIL方式逆变电路产生的波形。从图中可也看出电力电子HIL教学平台可以有效开展电力电子教学工作。

通过该实验的实施可以加深学生对三相电压源型变流器输出电压波形、SPWM调制原理等基础知识的理解，还能促进学生对控制理论、电力系统功率传输理论等知识的交叉融合，并能在解决并网电流有功无功分量解耦问题的过程中培养学生的解决复杂工程问题的能力。

3 结语

为提高电力电子技术课程的实验教学水平和教学效果，设计了一种基于Simulink的HIL教学平台，该平台设计了串行通信接口，用于仿真部分与物理部分之间的数据交换。该接口取代了传统电力电子HIL平台中昂贵的信号接口。主电路的控制器是物理实现的，其余部分在MATLAB的Simulink中进行仿真。控制算法实现和下载到控制板可以在Simulink中快速完成。该平台不仅支持AC-DC、DC-DC、AC-AC和DC-AC基本变换的实验，还可以开展复杂电力电子系统的设计和实验，可支撑本科生的解决复杂工程能力和创新思维的培养。

(a)AB相的线电压

(b)A相电流图7 启动过程中逆变电路输出的电压和电流波形