基于xPC Target和RTDS的12脈波整流的快速原型化控制系統(tǒng)

基于xPC Target和RTDS的12脈波整流的快速原型化控制系統(tǒng)

袁威，游菲，陳康博，肖忠云

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州貴陽(yáng)550025)

摘要：以多重化整流電路原理和12脈波整流器原理，構(gòu)建12脈波整流控制系統(tǒng)，以simulink為模型，利用Real-Time Workplace和xPC Target實(shí)現(xiàn)12脈波整流控制部分的快速原型化的半實(shí)物仿真，然后再利用RTDS(Real Time Digital Simulator)實(shí)現(xiàn)主電路的實(shí)時(shí)仿真，最后通過I/O實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的建立。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制系統(tǒng)的有效性并介紹了利用xPC和RTDS構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的過程。

關(guān)鍵詞：xPC Target半實(shí)物仿真RTDS實(shí)時(shí)仿真MATLAB仿真12脈波整流

中圖分類號(hào)：TM461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：袁威(1990-)，男，四川省邛崍人，在校碩士研究生，電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，研究方向：電能質(zhì)量變換域功率變換技術(shù)。

收稿日期：2015-02-02

Control system of 12-pulse rectifiers based on xPC and RTDS

YUAN Wei, YOU Fei, CHEN Kangbo, XIAO Zhongyun

Abstract:A 12-pulse rectifier control system was built according to the principle of multiple rectifier circuit and 12-pulse rectifier. Based on simulink model, using xPC Target, semi-physical simulation of the rapid prototyping of 12-pulse rectifier control was achieved, and then the real-time simulation of the main circuit was carried out with RTDS. Lastly the whole system was built up through I/O. The experiment verifies the effect of the control system and the paper introduces the application of xPC and RTDS in detail.

Keywords:xPC Target semi-physical simulation; RTDS real-time simulation; MATLAB simulation；12- pulse rectifier

0引言

隨著整流裝置功率的進(jìn)一步加大，它產(chǎn)生的諧波、無功功率等對(duì)電網(wǎng)的干擾也隨之加大，采用多重化整流電路可有效克服該問題，同時(shí)減少了直流脈動(dòng)。本文采用了移相串聯(lián)二重聯(lián)結(jié)方式實(shí)現(xiàn)12脈波整流電路如圖1所示[1]。

圖1　12脈波的聯(lián)結(jié)電路

首先研究分析了12脈波整流原理，采用三繞組移相變壓器接線方式實(shí)現(xiàn)移相使兩組三相交流電源間相位錯(cuò)開30°；使用xPC Target搭建整流系統(tǒng)的控制部分；同時(shí)利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器RTDS建立12脈波整流電路的主電路。并通過I/O口建立整個(gè)整流控制系統(tǒng)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明12脈波整流控制系統(tǒng)的有效性和穩(wěn)定性。

1整流器的原理

圖2　接線矢量圖

其變壓器聯(lián)結(jié)方式可參考如圖1的整體聯(lián)結(jié)電路，三繞組移相變壓器原邊接成星形，副邊有兩相繞組。其中一項(xiàng)接成星形另一項(xiàng)接成三角形，即變壓器二次側(cè)分別采用Yn和Yd11接法從而達(dá)到二次側(cè)兩組電壓錯(cuò)開30°的目的，該聯(lián)接方式二次側(cè)的電壓矢量圖如圖2所示[4]。

由向量圖可知二次側(cè)的兩組電壓相位錯(cuò)開30°，又由三繞組變壓器的變比有：

(1)

圖3　變壓器二次側(cè)兩 組電壓的相位差

最終在二次側(cè)得出兩組大小相等，相位差30°的電壓如圖3所示。

2整流系統(tǒng)模型的建立

2.1基于xPC Target的控制電路模型搭建

圖4　xPC實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的組成

目前存在多種優(yōu)秀的仿真平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真和半實(shí)物仿真，例如德國(guó)dSPACE公司進(jìn)行開發(fā)的dSPACE實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是一套基于MATLAB/Simulinkde，面向控制系統(tǒng)開發(fā)以及半實(shí)物仿真的軟硬件綜合工作平臺(tái)。它實(shí)時(shí)性強(qiáng)并具有強(qiáng)大的計(jì)算能力，但開發(fā)成本大，從而限制了應(yīng)用[5]。而本文采用MathWorks公司為其MATLAB/Simulink產(chǎn)品開發(fā)用于實(shí)時(shí)仿真的組建——Real-Time Workshop，簡(jiǎn)稱RTW。它可以由Simulink圖形化建模生成經(jīng)過優(yōu)化的，可移植的代碼同時(shí)提供了實(shí)時(shí)視窗目標(biāo)及xPC，xPC Target使用Host/Target結(jié)構(gòu)，一臺(tái)宿主機(jī)運(yùn)行Simulink而目標(biāo)PC機(jī)使用RTW提供的xPC Target專用實(shí)時(shí)操作內(nèi)核，使其工作在雙擊模式，通過以太網(wǎng)網(wǎng)卡INTEL-I82559與宿主機(jī)通訊[3]。其結(jié)構(gòu)圖可參考圖4。

圖5　Ⅰ橋的觸發(fā)脈沖

進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了半實(shí)物仿真控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件MATLAB/ Simulink,與xPC的無縫銜接，它實(shí)時(shí)性強(qiáng)并具備進(jìn)行半實(shí)物仿真的軟硬件工作平臺(tái)。通過該平臺(tái)建立該系統(tǒng)的控制模型[6]，控制模型發(fā)出的脈沖如圖5所示。

2.2基于RTDS的整流主電路模型搭建

RTDS全稱是實(shí)時(shí)數(shù)字仿真儀(Real Time Digital

Simulator)，是一種實(shí)時(shí)全數(shù)字電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)模擬裝置，利用先進(jìn)的軟硬件，可以對(duì)電力電子領(lǐng)域系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)精確的仿真，其建模周期短，結(jié)果直觀。根據(jù)12脈波整流器主電路原理圖，可在RTDS的軟件平臺(tái)RSCAD建立12脈波整流器主電路模型，并可通過RUNTIME窗口實(shí)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

同時(shí)2組整流橋采用串接方式，即橋Ⅰ和橋Ⅱ串接，然后給直流負(fù)載供電。

2.3整個(gè)系統(tǒng)的連接

通過以上，可知這個(gè)系統(tǒng)的控制部分和主電路部分分別獨(dú)立的建立在xPC Target和RTDS中。因此需要以I/O硬件作為橋梁搭建整個(gè)系統(tǒng)，通過RTDS中的GTAO采集卡輸出三繞組變壓器一次側(cè)的三相電壓，然后xPC Target通過PCI-6221采集卡接受信號(hào)，模擬信號(hào)經(jīng)過處理后獲得脈沖數(shù)字信號(hào)經(jīng)過PCI-6221輸出，同時(shí)RTDS通過GTDI卡接受信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)搭建完畢如圖6所示。

2.4仿真結(jié)果

將三相電壓源的相電壓設(shè)置為220 V，當(dāng)a=0°仿真結(jié)果如圖所示：由圖7可知，該12脈波整流系統(tǒng)直流側(cè)輸出基本無脈動(dòng)，又由圖8知整流器一個(gè)周期輸出的脈波為12，即12脈波整流系統(tǒng)輸出滿足要求，圖8為三繞組變壓器一次側(cè)A相的電流，由電流諧波總畸變率公式：

(2)

圖7　整流器直流側(cè)電　　圖8　直流側(cè)一個(gè)周期的 　　　　壓仿真波形　　　　　　　電壓波形

圖9　電網(wǎng)側(cè)A相電流波形

其中Ih為網(wǎng)側(cè)電流總諧波有效值，I1為網(wǎng)側(cè)電流基波有效值。通過把整個(gè)系統(tǒng)在MATLAB/Simulink中仿真，通過諧波分析由圖10可知電網(wǎng)側(cè)的畸變率為2.1%，即滿足國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)，證明了有效性[2]。同理當(dāng)a=30°仿真波形如圖11所示，從而充分證明了該系統(tǒng)的靈活性。

圖10　電網(wǎng)側(cè)電流的　　圖11　直流側(cè)一個(gè)周期 　　　　　諧波分析　　　　　　　的電壓波形

3結(jié)束語

RTDS和xPC的實(shí)時(shí)仿真表明，利用xPC的快速原型技術(shù)實(shí)現(xiàn)了控制部分的實(shí)時(shí)控制，該方法具有成本低廉，可維護(hù)性和可擴(kuò)展性等優(yōu)點(diǎn)，并利用RTDS實(shí)現(xiàn)了主電路的實(shí)時(shí)仿真。其結(jié)果表明該系統(tǒng)能穩(wěn)定運(yùn)行，并可以調(diào)節(jié)a角度，靈活性強(qiáng)。由于12脈波整流電路電網(wǎng)側(cè)電流諧波次數(shù)為12k 1次，而與6脈波整流系統(tǒng)相比，具有較低的網(wǎng)側(cè)電流THD，輸出直流電壓脈動(dòng)更小，與其他PWM整流裝置相比具有開關(guān)損耗小、控制算法簡(jiǎn)短、容量大，穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。因此，12脈波整流可廣泛用于高壓直流輸電中，在現(xiàn)代工業(yè)中前景廣闊。

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游菲(1989-)，男，山東省泰安人，在校碩士研究生，電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，研究方向：電能質(zhì)量變換域功率變換技術(shù)

陳康博(1989-)，男，山東省青島人，在校碩士研究生，電力電子與電力傳動(dòng)專業(yè)，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)控制技術(shù)。

肖忠云(1991-)，男，貴州省興義人，在校碩士研究生，電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，研究方向：電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制。