应用实时仿真软件开发电力电子系统的几个实验项目

马红梅，邓永红，甘金颖

(华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

建设传统的电气教学实验室是一个非常具有挑战性的工作，出于安全考虑进行实验或科研一般会选用小功率实物系统或者软件，但是交直流调速系统与电力电子技术基本都需要在电压等级高、功率大、实验危险的情况下实现才能符合实际；而利用软件在电脑上做的纯软件仿真虽然可以模拟实际情况，但是因为没有输入输出端口，不能真实的模拟和替代系统，同时也不能通过IO和控制器相连，局限性很多。因为设备的限制、安全的考虑及其固有设计模式，传统的电气教学实验设备只能完成教学中几个固定的实验项目，扩展到教学中的全部交直流调速系统和电力电子系统有很大困难，就更不用说验证交直流调速和电力电子中的各种高性能控制方法、策略，智能化控制、移相脉冲控制等。[1-10]

使用纯软件仿真教学很难让学生对被控对象和控制方法有个直观认识，让学生的和认知学习停留于表面。而实时仿真平台完全不同于纯软件仿真，使用实时仿真作为实验教学，可以着重培养学生的操作能力、分析调试能力、设计和创新意识。[11，12]

对于交直流调速与电力电子技术教学和科研，研究实时仿真平台有很好的实用意义和广阔的市场与前景。[1-8]

1 实时仿真教学平台

实时仿真平台基本原理是用运行着数学模型的实时系统来模拟实际系统，通过真实的IO接口与外设备相连，既利用了通过软件建模的灵活性，又可以替代实物系统。基于FPGA的实时仿真实验系统用在教学实验中，不仅能现实的模拟各种功率等级的直流调速和电力电子系统运行状态，而且能让学生在安全实验环境动手操作，是完全区别于传统电力电子教学的新型实验方法。ModelingTech半实物仿真实验系统能为本科生及研究生完成《电力系统中的电力电子》、《电力电子技术》 、《新能源发电技术》、《电机控制》等相关专业课、选修课的教学和实验。[13-15]

仿真实验系统如图1所示，由四个组成部分，分别是：

(1) 控制机箱，含控制器，可实现电力电子仿真实验的控制算法，可发出控制信号给仿真机箱，并且构成闭环实验系统，这一部分也可以用DSP控制板来代替，用于完成控制理论实验的课程。

(2) 实时仿真机箱，可将用StarSim/Simulink建模环境搭建的电力电子电路系统和拓扑在机箱配置的FPGA硬件上进行准确的实时仿真，将被控对象的特性仿真出来并将响应信号发送给控制侧，完成实验系统的闭环。

(3) 实验转接板，用在实现仿真侧与控制侧之间的信号连接，同时转接板上配备了BNC接口，学生可以通过示波器观察每一路信号实时的波形情况。

(4) 示波器，方便观察实际信号，以便对系统运行原理有更直观的认识。

图1 仿真实验系统1—控制机箱；2—实时仿真机箱；3—实验转接板；4—示波器

仿真实验系统的运行架构如图2所示。

仿真器和控制机箱是通过实验转接板来完成信号传输，控制机箱通过采集仿真电路模拟信号，然后通过算法计算同时实时发出控制数字信号；仿真器接收控制信号，并实时仿真出电路响应同时输出给控制机箱最终构成仿真系统的闭环。其中，进行仿真实验的电路拓扑通过StarSim Editor搭建可视化模型，并通过模型管理软件StarSim HIL进行模型的IO接口配置，然后下载到仿真器实时运行；仿真实验的控制算法和上位机运行界面运行在控制机箱上；实验转接板除了提供信号传输，外接示波器接在板上配置的BNC接头上，实验的时候进行真实信号观测，获得更为直接的实验体会。

2 实时仿真实验课程

通过实时仿真系统可实现如下实验：

(1) 电力电子技术：①Boost电路实验；②晶闸管整流实验；③Buck电路实验；④两电平桥SPWM实验；⑤H桥单/双极性PWM控制实验。

(2) 电力系统中的电力电子：并网型逆变器控制实验。

(3) 新能源系统实验：光伏系统MPPT实验。

(4) 电机控制：永磁同步电机矢量控制实验。

图2 仿真实验系统运行图

ModelingTech电力电子方面的仿真实验系统具有很好的开放性，除了可以做上面的8个实验，还可以自行搭建电路拓扑和研究对象进行教学实验的拓展，从而不断完善学科的实验教学建设。同时，实验的开放性也可以使实验课程实现用户自定义，继而扩展到更多的课程体系中去。[16-21]

3 Boost电路实验

Boost电路是基本的DC-DC电路之一，它的功能是直流升压，功能是能够使输出电压高于输入电压。Boost电路具有电感电流断续模式(DCM)和电感电流连续模式(CCM)，通过对此电路的仿真运行，学生能够直观地感受到在两种模式下运行电流电压波形的变化，更有利于对电路原理的认识以至理解，增加教学趣味性。

Boost电路实验课程的教学目标如下：

(1) 了解Boost电路结构组成及电路特性；

(2) 理解在连续和断续两种模式下，开关管占空比的变化对电路的影响；

(3) 熟悉二极管与开关管的动作特性；

(4) 自由调整电路参数，深入理解影响升压斩波电路输出的因素。

实验内容界面如图3所示。

图3 Boost实验内容界面

实验操作界面如图4所示。

图4 Boost实验操作界面

4 光伏系统MPPT实验

光伏并网系统主要包括斩波电路、光伏电池板、滤波器及逆变器等部分。通过硬件来实现整个实验光电系统的成本很高，用在实验和维护上所需要花费的时间精力都非常大。利用实时仿真则可以完美地呈现出真实系统的拓扑，可以比较容易地就实现光伏系统的运行和并网情况，方便学生更好学习和理解。

本实验的教学目标如下：

(1) 理解光伏发电并网系统的框架及各部分功能；

(2) 理解并网逆变基本控制原理和常用算法；

(3) 理解光伏电池输出特性和最大功率点的追踪的一般算法。

实验运行界面如图5所示。

图5 光伏系统MPPT实验界面图

5 永磁同步电机矢量控制实验

同步电机矢量控制实验就是指通过坐标的变换及转子磁链的定向，将定子电流矢量分解成转矩电流分量及励磁电流分量，实现磁通控制和转矩控制。电机学学习中的难点是矢量控制，但是通过仿真实验就能让学生更直观认识矢量控制下的转矩电流分量以及转矩、励磁电流分量的变化。把理论和实验结果结合，相互印证这样有利于学生对知识的深入理解。

本实验的教学目标如下：

(1) 理解永磁同步电机控制系统的基本结构；

(2) 理解矢量控制的基本原理和作用；

(3) 理解电机参数的变化对电机控制效果的影响；

(4) 理解矢量控制算法参数变化对电机控制效果的影响。

实验运行界面如图6所示。

图6 永磁同步电机矢量控制实验界面图

6 结论

(1) 实时仿真平台应用范围非常广，如变流器相关的新能源发电及并网技术、电力电子技术、常用电机控制技术等，如果融合到课程设计将有很大的灵活性。

(2) 学生不仅能接触实际控制设备，还能动手设计、连接、调试同时通过示波器观察仿真侧或控制侧的真实信号。

(3) 学生可在安全的环境下模拟，自主创建各功率等级的电力电子系统拓扑和进行实验研究，有助于理论知识的学习与理解。

(4) 学生可在各种模拟系统情况下学习体验电力电子控制系统，比如电网的短路故障和干扰情况等，有利于获得更接近实际的学习体验。

基于实时仿真实验系统能够实时引进该领域在全球最先进的理念和技术，支持研究型、设计型创新实验的开展，适应卓越工程师和创新型人才的培养的需要；提供产、学、研一体化的校企合作平台，同时为不同的科研领域和前沿方向，培养适应行业需要的具有实践动手能力和创新精神的复合型工程技术人才。