電力電子HIL教學平臺設計

唐 欣， 席燕輝， 王 文

(長沙理工大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙，410014)

0 引言

隨著電力電子技術廣泛應用于電力系統的發、輸、配和用等各個環節，“電力電子技術”課程已成為電氣工程及其自動化專業非常重要的一門專業基礎課程[1～2]?！半娏﹄娮蛹夹g”課程是一門工程性很強的課程，實驗教學顯得尤為重要。傳統的電力電子實驗教學設備提供的實驗以驗證性為主，不能提供PWM變流器并網和相控變流器有源逆變等實驗，難以滿足解決復雜工程問題能力和創新思維的培養，也無法滿足學生掌握電力新技術的要求[3～4]。

為降低成本和減少開發時間，近年來，硬件在環HIL(hardware in loop)技術迅速發展，廣泛應用在電力系統研究、自動裝置開發等領域。文獻[5]中采用RT-LAB搭建燃料電池/超級電容混合動力系統HIL控制結構；文獻[6]采用dSPACE設計了永磁同步電機控制器的HIL實驗平臺，改善測試調節；文獻[7]中搭建了基于RTDS的風電場接入串補輸電系統實時仿真HIL系統，用于網側次同步阻尼控制器抑制次同步諧振；文獻[8]中一汽集團采用NI硬件搭建HIL系統，并將其應用到整車系統，測試效率大幅提高，并且降低了汽車售后的電氣故障發生率和返修率；文獻[9]中基于PXI設計了BMS硬件在環測試系統，確保BMS產品設計過程的安全性、穩定性和可靠性分析。

上述HIL技術主要用于研究和產品開發，往往需要高速采集卡和I/O接口板，成本較高而不適用于本科實驗教學。當前高校符合電力電子實驗教學的平臺研發較少，文獻[10] 針對電力電子與電力傳動方向設計了一種DSP28335作為控制器的硬件在環教學實驗平臺，但仍需要采集和接口電路。為加強培養本科生的解決復雜工程問題能力和創新思維，本文針對電力電子技術實驗教學設計了一種基于Simulink的硬件在環實驗平臺。該平臺設計了串行通信接口，用于仿真部分與物理部分之間的數據交換，取代了傳統電力電子HIL平臺所需的FPGA板、采樣板和I/O板等信號接口。為了方便開展不同復雜對象的實驗，并降低安全風險，主電路的控制器是物理實現的，系統的其余部分(包括與電網或負載相連的電力電子電路)在MATLAB的Simulink中進行了仿真。此外，針對本科生的學習特點，為學生提供了模塊化控制程序設計及代碼自動生成的開發環境。

1 電力電子HIL教學平臺設計

1.1 平臺的結構

電力電子HIL教學平臺如圖1所示。

圖1 電力電子HIL教學平臺結構

系統由上位機、控制板、DSP仿真器和串行通信電路組成。上位機用于運行電力電子系統的功率電路，控制板用于運行電力電子系統控制算法， DSP仿真器用于基于Simulink生成的程序下載，串行通信電路用于硬件在環運行時主電路部分與控制部分之間的數據交換。

1.2 平臺軟硬件組成

上位機相關的軟件有Matlab/Simulink和CCS，其中，Simulink實現控制代碼的自動生成，并在硬件在環仿真實驗時仿真主電路的運行情況?？刂瓢褰Y構圖如圖2所示，包括主控芯片TMS320F28335、串行通信電路、JTAG口及其它片外資源，其中，TMS320F28335是目前電力電子裝置主流的控制芯片，串行通信電路是標準的RS-232通信接口，JTAG口用于程序下載。

圖2 控制電路結構圖

1.3 仿真實驗步驟

(1)在Simulink中建立電力電子系統的數字仿真模型。

(2)根據DSP芯片類型配置MATLAB軟件的編譯參數。

(3)將控制算法封裝在一個子系統模塊中，并將其部署到硬件上，生成一個HIL模塊。

(4)用HIL模塊代替原有的控制算法子系統模塊。

(5)配置計算機的串行端口，并在MATLAB軟件中設置該端口。

(6)在Simulink環境下運行HIL模型(該操作自動完成：由Simulink生成控制算法代碼并通過DSP仿真器下載到控制器中，以及電力電子系統硬件在環仿真實驗。在仿真實驗中，主電路在Simulink中模擬運行并將主電路的電壓、電流信號通過串行通信傳送給控制板，同時控制器的產生的控制信號也傳送給Simulink中的主電路。)

2 仿真實驗模型的搭建與測試

電力電子HIL教學平臺不僅可以實現AC-DC、DC-DC、AC-AC和DC-AC基本電能變換的仿真實驗，而且可以開展復雜系統的高階實驗，電力電子HIL教學實驗室如圖3所示。

圖3 電力電子HIL教學實驗室

本文根據解決復雜工程問題能力的培養要求，以三相PWM逆變電路為例，介紹利用電力電子HIL教學平臺實施實驗教學的案例，表1給出該實驗的教學目標。

表1 逆變電路仿真實驗的教學目標

基于HIL仿真的三相PWM逆變電路實驗要求學生在Simulink中搭建并網逆變主電路和控制系統代碼模型，采用電力電子HIL教學平臺構成處理器在環系統，實現三相逆變器并網電流有功、無功的分別控制。該實驗教學內容主要包括：

(1)三相PWM逆變電路SPWM調制方法、閥側電壓調節方法；

(2)三相PWM并網逆變電路電流控制原理，包括鎖相方法、參考電流生成方法、電流控制方法；

(3)三相PWM并網逆變電路電流解耦控制方法，包括DQ變換方法、并網電流解耦原理，解耦控制方法；

(4)搭建三相PWM并網逆變電路離線仿真模型，實現并網電流有功、無功解耦控制；

(5)搭建三相PWM并網逆變電路HIL仿真實驗模型，實現處理器在環控制系統。

2.1 模型搭建

1)在Simulink中搭建全數字模型

一個典型三相PWM逆變器的Simulink仿真模型如圖4所示,主要包括逆變橋電路、控制電路和LC低通濾波電路三部分。逆變橋將直流電流轉換成交流電流并通過LC電路濾除諧波給負荷供電。在控制電路中，采用基于PI算法的雙閉環控制系統產生PWM波形。此外，電流測量塊和電壓測量塊用于測量交、直流的電流和電壓。

圖4 三相PWM逆變電路全數字仿真模型

圖5 三相PWM逆變電路HIL模型

2) HIL的實現

在Simulink中對所設計的模型進行測試后，需要將控制算法封裝在一個子系統模塊中，并部署到硬件上，生成一個HIL模塊?？刂扑惴ǖ腍IL模塊可以通過單擊圖4中的控制算法子系統模塊來創建(具體操作為右擊子系統模塊，在下拉菜單中選擇“C/C++ code”條目中“Deploy this Subsystem to Hardware”條目)，該操作實現了代碼生成和編譯。最后，用控制算法的HIL模塊替換原始子系統模塊，生成HIL模型如圖5所示。

2.2 仿真實驗結果

對上述全數字仿真模型和HIL模型分別進行測試。圖6(a)和(b)分別給出了基于全數字仿真方式和HIL方式三相PWM逆變器的輸出電壓波形。

(a)全數字仿真方式

(b)HIL方式圖6 三相PWM逆變電路的輸出電壓波形

圖7(a)和(b)分別給出了啟動過程中逆變器輸出的線電壓和電流的波形，圖中實線表示基于全數字方式逆變電路產生的波形，虛線表示基于HIL方式逆變電路產生的波形。從圖中可也看出電力電子HIL教學平臺可以有效開展電力電子教學工作。

通過該實驗的實施可以加深學生對三相電壓源型變流器輸出電壓波形、SPWM調制原理等基礎知識的理解，還能促進學生對控制理論、電力系統功率傳輸理論等知識的交叉融合，并能在解決并網電流有功無功分量解耦問題的過程中培養學生的解決復雜工程問題的能力。

3 結語

為提高電力電子技術課程的實驗教學水平和教學效果，設計了一種基于Simulink的HIL教學平臺，該平臺設計了串行通信接口，用于仿真部分與物理部分之間的數據交換。該接口取代了傳統電力電子HIL平臺中昂貴的信號接口。主電路的控制器是物理實現的，其余部分在MATLAB的Simulink中進行仿真?？刂扑惴▽崿F和下載到控制板可以在Simulink中快速完成。該平臺不僅支持AC-DC、DC-DC、AC-AC和DC-AC基本變換的實驗，還可以開展復雜電力電子系統的設計和實驗，可支撐本科生的解決復雜工程能力和創新思維的培養。

(a)AB相的線電壓

(b)A相電流圖7 啟動過程中逆變電路輸出的電壓和電流波形