基于xPC Target和RTDS的12脈波整流的快速原型化控制系統

基于xPC Target和RTDS的12脈波整流的快速原型化控制系統

袁威，游菲，陳康博，肖忠云

(貴州大學電氣工程學院，貴州貴陽550025)

摘要：以多重化整流電路原理和12脈波整流器原理，構建12脈波整流控制系統，以simulink為模型，利用Real-Time Workplace和xPC Target實現12脈波整流控制部分的快速原型化的半實物仿真，然后再利用RTDS(Real Time Digital Simulator)實現主電路的實時仿真，最后通過I/O實現整個系統的建立。通過實驗驗證了該控制系統的有效性并介紹了利用xPC和RTDS構建整個系統的過程。

關鍵詞：xPC Target半實物仿真RTDS實時仿真MATLAB仿真12脈波整流

中圖分類號：TM461文獻標識碼：A

作者簡介：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專業，研究方向：電能質量變換域功率變換技術。

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一步加大，它產生的諧波、無功功率等對電網的干擾也隨之加大，采用多重化整流電路可有效克服該問題，同時減少了直流脈動。本文采用了移相串聯二重聯結方式實現12脈波整流電路如圖1所示[1]。

圖1　12脈波的聯結電路

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現移相使兩組三相交流電源間相位錯開30°；使用xPC Target搭建整流系統的控制部分；同時利用實時數字仿真器RTDS建立12脈波整流電路的主電路。并通過I/O口建立整個整流控制系統；實驗結果表明12脈波整流控制系統的有效性和穩定性。

1整流器的原理

圖2　接線矢量圖

其變壓器聯結方式可參考如圖1的整體聯結電路，三繞組移相變壓器原邊接成星形，副邊有兩相繞組。其中一項接成星形另一項接成三角形，即變壓器二次側分別采用Yn和Yd11接法從而達到二次側兩組電壓錯開30°的目的，該聯接方式二次側的電壓矢量圖如圖2所示[4]。

由向量圖可知二次側的兩組電壓相位錯開30°，又由三繞組變壓器的變比有：

(1)

圖3　變壓器二次側兩 組電壓的相位差

最終在二次側得出兩組大小相等，相位差30°的電壓如圖3所示。

2整流系統模型的建立

2.1基于xPC Target的控制電路模型搭建

圖4　xPC實時仿真系統的組成

目前存在多種優秀的仿真平臺，可以實現實時仿真和半實物仿真，例如德國dSPACE公司進行開發的dSPACE實時仿真系統是一套基于MATLAB/Simulinkde，面向控制系統開發以及半實物仿真的軟硬件綜合工作平臺。它實時性強并具有強大的計算能力，但開發成本大，從而限制了應用[5]。而本文采用MathWorks公司為其MATLAB/Simulink產品開發用于實時仿真的組建——Real-Time Workshop，簡稱RTW。它可以由Simulink圖形化建模生成經過優化的，可移植的代碼同時提供了實時視窗目標及xPC，xPC Target使用Host/Target結構，一臺宿主機運行Simulink而目標PC機使用RTW提供的xPC Target專用實時操作內核，使其工作在雙擊模式，通過以太網網卡INTEL-I82559與宿主機通訊[3]。其結構圖可參考圖4。

圖5　Ⅰ橋的觸發脈沖

進而實現了半實物仿真控制系統設計軟件MATLAB/ Simulink,與xPC的無縫銜接，它實時性強并具備進行半實物仿真的軟硬件工作平臺。通過該平臺建立該系統的控制模型[6]，控制模型發出的脈沖如圖5所示。

2.2基于RTDS的整流主電路模型搭建

RTDS全稱是實時數字仿真儀(Real Time Digital

Simulator)，是一種實時全數字電磁暫態電力系統模擬裝置，利用先進的軟硬件，可以對電力電子領域系統進行實時精確的仿真，其建模周期短，結果直觀。根據12脈波整流器主電路原理圖，可在RTDS的軟件平臺RSCAD建立12脈波整流器主電路模型，并可通過RUNTIME窗口實時的觀測數據。

同時2組整流橋采用串接方式，即橋Ⅰ和橋Ⅱ串接，然后給直流負載供電。

2.3整個系統的連接

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

2.4仿真結果

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

(2)

圖7　整流器直流側電　　圖8　直流側一個周期的 　　　　壓仿真波形　　　　　　　電壓波形

圖9　電網側A相電流波形

其中Ih為網側電流總諧波有效值，I1為網側電流基波有效值。通過把整個系統在MATLAB/Simulink中仿真，通過諧波分析由圖10可知電網側的畸變率為2.1%，即滿足國家的標準，證明了有效性[2]。同理當a=30°仿真波形如圖11所示，從而充分證明了該系統的靈活性。

圖10　電網側電流的　　圖11　直流側一個周期 　　　　　諧波分析　　　　　　　的電壓波形

3結束語

RTDS和xPC的實時仿真表明，利用xPC的快速原型技術實現了控制部分的實時控制，該方法具有成本低廉，可維護性和可擴展性等優點，并利用RTDS實現了主電路的實時仿真。其結果表明該系統能穩定運行，并可以調節a角度，靈活性強。由于12脈波整流電路電網側電流諧波次數為12k 1次，而與6脈波整流系統相比，具有較低的網側電流THD，輸出直流電壓脈動更小，與其他PWM整流裝置相比具有開關損耗小、控制算法簡短、容量大，穩定等優點。因此，12脈波整流可廣泛用于高壓直流輸電中，在現代工業中前景廣闊。

參考文獻

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[6]K. Mino, G. Gong, and J.W. Novel hybrid 12-pulse line interphase transformer boost-type rectifier with controlled output voltage[J]. KolarSwiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich，2004：2-4

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專業，研究方向：電能質量變換域功率變換技術

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專業，研究方向：電力電子與電力傳動控制技術。

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