基于RCP實時仿真的三電平H橋直流變換器實驗平臺設計

郭鵬輝，范學鑫，王瑞田，謝　楨，汪光森

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

基于RCP實時仿真的三電平H橋直流變換器實驗平臺設計

郭鵬輝，范學鑫，王瑞田，謝楨，汪光森

（海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033）

三電平以及多電平拓撲結構的變流器已經(jīng)廣泛應用于分布式發(fā)電，高壓直流輸電等領域，而實時仿真為變換器的研究提供了一種新穎的研究手段。本文基于RT_LAB構建了三電平H橋直流變換器快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）實時仿真實驗平臺，介紹了其基本結構及軟硬件設計過程，在此實時仿真實驗平臺上開展了三電平H橋直流變換器不同工況下的仿真，與離線仿真結果對比，吻合情況良好，驗證了實時仿真實驗平臺設計的合理性。

RCP實時仿真三電平H橋直流變換器

0引言

由于多電平拓撲結構的直流變換器可以解決開關管功率和耐壓的約束，因此已經(jīng)在分布式發(fā)電，高壓直流輸電等領域得到了廣泛應用［1］。目前多電平變換器已成為研究熱點。電力電子變換的研究離不開仿真實驗，而傳統(tǒng)的純數(shù)字離線仿真置信度有限，因此使用半實物的實時仿真技術輔助電力電子變換的研究受到越來越多的重視。半實物的實時仿真技術主要有以下優(yōu)點：

1）半實物的實時仿真由于有實物控制器或對象接入仿真回路，其精確度較高，更接近于系統(tǒng)的實際情況［2-3］。

2）使用半實物的實時仿真可以降低電力電子系統(tǒng)的研究風險，安全性好。

半實物的實時仿真又分為兩種：（1）快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）仿真系統(tǒng)，由虛擬控制器和實際對象組成；（2）硬件在回路（Hardware in the Loop，HIL）仿真系統(tǒng)，由實際控制器和虛擬對象組成.

目前應用比較廣泛的幾個實時仿真平臺有德國的dSPACE仿真平臺、加拿大Opal-RT公司的RT_LAB仿真平臺和加拿大曼尼托巴研究中心的RTDS仿真平臺［4］。

文獻［1］提出了一種直流變換器的模式快速識別PI自適應控制策略，文獻［2］總結了電力電子實時仿真中所遇到的問題并提出了改進措施，文獻［5］介紹了實時仿真技術在電力電子和電力驅動中面臨的挑戰(zhàn)以及解決方法并闡述了實時仿真技術在船舶電力系統(tǒng)中的應用。對于隔離型三電平直流變換器的實時仿真建模鮮有公開報道。

本文首先介紹了三電平H橋直流變換器的拓撲結構，以三電平H橋直流變換器電路為實物對象，構建了RCP實時仿真實驗平臺，概述了其基本結構及軟硬件設計，開展了三電平H橋直流變換器的性能仿真實驗研究。

圖1三電平H橋直流變換器實時仿真平臺

1實驗平臺結構

三電平H橋直流變換器實時仿真實驗平臺的結構如圖1所示，實驗平臺主要由變換器主電路，RT_LAB仿真機，實時仿真接口板三部分組成，分別概述如下。

2變換器主電路

三電平H橋直流變換器主要由三電平逆變器、中頻隔離變壓器、不控整流器、LC濾波器等組成，其電路原理圖如圖1的主電路部分所示。直流輸入電壓Ud經(jīng)過三電平H橋逆變器后得到三電平交流電壓，經(jīng)中頻隔離變壓器變壓后，由整流橋整流并通過LC濾波器濾波獲得直流輸出電壓，實現(xiàn)DC/DC的直流變換。三電壓H橋結構的直流變換器可用于中壓直流電網(wǎng)至低壓電網(wǎng)的直接電能傳送，中頻隔離變壓器也能夠隔離中壓電網(wǎng)和低壓電網(wǎng)。

直流變換器的主要參數(shù)為額定功率：20 kW；額定輸入電壓：900 V；額定輸出電壓：300 V；額定輸出電流67 A；開關頻率：1 kHz。

3 RT_LAB實時仿真模型設計

基于RT_LAB，設計了實驗平臺的實時仿真模型，如圖2所示。

該實時仿真模型共分為四個模塊：

SM_Controller模塊主要為電壓電流雙閉環(huán)PI控制器和運行參數(shù)的本地存儲。

SC_console模塊主要為運行狀態(tài)的顯示，PI參數(shù)在線調整以及充放電繼電器控制。

SS_Controller模塊主要為數(shù)字信號輸入，數(shù)字信號輸出以及綜合保護信號的生成。

SS_Analog模塊主要為模擬量輸入，模擬量輸出，數(shù)字濾波及比例調整。

其 中SM_Controller， SS_Controller，SS_Analog模塊分別在仿真機中獨立的CPU中運行，SC_console在上位機中運行。

圖2實時仿真模型

4實時仿真接口板

RCP實時仿真平臺的接口板如圖 3所示，IGBT驅動、繼電器、故障報警燈、緊急停機按鈕等功能部件的信號經(jīng)光耦隔離后與接口板連接，接口板上的FPGA（Field Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程邏輯門陣列）芯片對各路信號進行必要的分類處理后通過RT_LAB數(shù)字輸入、輸出接口與仿真平臺軟件通訊。傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過接口板上的調理電路處理后送入RT_LAB模擬輸入接口。

4.1接口板與RT_LAB接口

試驗室配備的RT_LAB實時仿真平臺基于OP5600型機架，包含OP5353型32路數(shù)字輸入板卡一塊，OP5354型32路數(shù)字輸出板卡兩塊。在設計接口板與RT_LAB仿真機之間的數(shù)字接口時需考慮二者接口的匹配性.

圖3實時仿真平臺接口板圖

4.1.1 RT_LAB數(shù)字輸入

RT_LAB OP5353型數(shù)字輸入接口原理圖如圖4所示。設計電路見圖5。

圖2RT_LAB OP5353數(shù)字輸入原理圖

圖5OP5353與接口板的接口電路

圖6 OP5354數(shù)字輸出板卡的接口電路

電平邏輯：

4.1.2 RTLAB數(shù)字輸出

OP5354數(shù)字輸出板卡與接口板中FPGA芯片的接口電路如圖6所示。

電平邏輯：

4.2外圍電路

4.2.1充放電繼電器

采用兩個GT24C高壓繼電器，控制線圈電壓24 V，線圈電阻180Ω±10%，充電電阻為兩個3.3 kΩ/50W功率電阻串聯(lián)。放電回路使用相同型號的高壓繼電器一個，串聯(lián)一個放電電阻3.3 kΩ/50 W。主回路中僅使用繼電器的常開（NO）觸點。繼電器控制電路如圖7所示。其中D17作用為保護光耦一次側發(fā)光二極管，SMAZ10作用為保護光耦二次側晶體管。OUT1為低電平時，TLP521一次側發(fā)光二極管導通，二次側晶體管導通。

4.2.2故障報警燈

選用帶鎖扣的紅色按鈕，使用常開（NO）觸點。電路圖如圖8所示。緊急停機按鈕按下時，常開觸點閉合，TLP521一次側發(fā)光二極管導通。

5實驗仿真結果驗證

基于搭建的實驗平臺，進行了三電平H橋直流變換器不同工況下的實時仿真和離線仿真實驗。由于篇幅有限，取50%額定負載突加100%額定負載和過載限流兩種典型工況下的實驗結果進行驗證說明。

5.150%額定負載突加100%額定負載動態(tài)實驗

由50%額定負載突加100%額定負載的實時仿真如圖9所示，離線仿真如圖10所示。

對比實時仿真和離線仿真的結果，如表1所示：

?

由實驗波形圖和仿真結果表格對比可得，實時仿真和離線仿真結果基本相符。

5.2過載限流實驗

過載限流的實時仿真如圖11所示，離線仿真如圖12所示。由實驗波形圖和仿真結果表格對比可得，實時仿真和離線仿真結果基本相符。

實驗結果表明，實時仿真模型能夠反映直流變換器不同工況的特性。對比實時仿真和離線仿真的結果，如表2所示。

6結束語

本文基于RT_LAB實時仿真系統(tǒng)，構建了三電平直流變換器RCP實時仿真實驗平臺，對三電平H橋直流變換器進行了半實物仿真，得到了50%額定負載突加100%額定負載和過載限流兩種不同工況下的實時仿真波形，并與PSCAD離線仿真進行對比，結果表明此RCP實驗平臺運行穩(wěn)定，能夠準確反映三電平直流變換器的動靜態(tài)特性。

［1]謝楨，付立軍，肖飛，王瑞田.變換器模式快速識別PI自適應控制策略［J］.電機與控制學報，2013，17（1）:25-30.

［2]傅望，崔坤龍，羅時武.RT_LAB分布式實時仿真系統(tǒng)及其在電力電子中的應用［C］.2013年中國電機工程學會年會論文集，2013:1-6.

［3］WASHINGTONC，DOLMANJ.Creatingnext generation HIL simulators with FPGA technology［C］. ProceedingsfortheIEEEAUTOTESTCON Conference.Piscataway:IEEE，2010:1-6.

［4]王堅.電力電子系統(tǒng)硬件在回路仿真技術的探討［J］.大功率變流技術，2011，（2）:1-5.

［5]薛偉敏，陳次祥，陸佩忠.實時仿真技術在船舶電力系統(tǒng)中的應用［J］.上海造船，2010，（2）:42-45.

Experimental Platform Design of Three-Level H-Bridge DC/DC Converter Based on RCP Real-time Simulation

Guo Penghui，F(xiàn)an Xuexin，Wang Ruitian，Xie Zhen，Wang Guangsen
（National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Three-level and multi-level converter topologies are widely used in distributed generation，HVDC and other fields.Real-time simulation is a novel research tool for the converter research.This paper builds a real-time simulation platform for rapid control prototyping（RCP）of the three-level H-bridge DC/DC converter based on RT_LAB，introduces its basic structure，hardware and software design，and conducts a three-level H-bridge DC/DC converter simulation under different conditions.The results are consistent with offline simulation results and the reasonability of real-time simulation platform is verified.

RCP；real-time simulation；three-level H-bridge DC/DC converter

TM461

A

1003-4862（2016）07-0005-04

2015-10-15

國家自然科學基金（51477179，51477180），海軍工程大學科學研究基金資助項目

郭鵬輝（1995-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。