基于RCP实时仿真的三电平H桥直流变换器实验平台设计

郭鹏辉，范学鑫，王瑞田，谢　桢，汪光森

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

基于RCP实时仿真的三电平H桥直流变换器实验平台设计

郭鹏辉，范学鑫，王瑞田，谢桢，汪光森

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033）

三电平以及多电平拓扑结构的变流器已经广泛应用于分布式发电，高压直流输电等领域，而实时仿真为变换器的研究提供了一种新颖的研究手段。本文基于RT_LAB构建了三电平H桥直流变换器快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）实时仿真实验平台，介绍了其基本结构及软硬件设计过程，在此实时仿真实验平台上开展了三电平H桥直流变换器不同工况下的仿真，与离线仿真结果对比，吻合情况良好，验证了实时仿真实验平台设计的合理性。

RCP实时仿真三电平H桥直流变换器

0引言

由于多电平拓扑结构的直流变换器可以解决开关管功率和耐压的约束，因此已经在分布式发电，高压直流输电等领域得到了广泛应用［1］。目前多电平变换器已成为研究热点。电力电子变换的研究离不开仿真实验，而传统的纯数字离线仿真置信度有限，因此使用半实物的实时仿真技术辅助电力电子变换的研究受到越来越多的重视。半实物的实时仿真技术主要有以下优点：

1）半实物的实时仿真由于有实物控制器或对象接入仿真回路，其精确度较高，更接近于系统的实际情况［2-3］。

2）使用半实物的实时仿真可以降低电力电子系统的研究风险，安全性好。

半实物的实时仿真又分为两种：（1）快速控制原型（Rapid Control Prototyping，RCP）仿真系统，由虚拟控制器和实际对象组成；（2）硬件在回路（Hardware in the Loop，HIL）仿真系统，由实际控制器和虚拟对象组成.

目前应用比较广泛的几个实时仿真平台有德国的dSPACE仿真平台、加拿大Opal-RT公司的RT_LAB仿真平台和加拿大曼尼托巴研究中心的RTDS仿真平台［4］。

文献［1］提出了一种直流变换器的模式快速识别PI自适应控制策略，文献［2］总结了电力电子实时仿真中所遇到的问题并提出了改进措施，文献［5］介绍了实时仿真技术在电力电子和电力驱动中面临的挑战以及解决方法并阐述了实时仿真技术在船舶电力系统中的应用。对于隔离型三电平直流变换器的实时仿真建模鲜有公开报道。

本文首先介绍了三电平H桥直流变换器的拓扑结构，以三电平H桥直流变换器电路为实物对象，构建了RCP实时仿真实验平台，概述了其基本结构及软硬件设计，开展了三电平H桥直流变换器的性能仿真实验研究。

图1三电平H桥直流变换器实时仿真平台

1实验平台结构

三电平H桥直流变换器实时仿真实验平台的结构如图1所示，实验平台主要由变换器主电路，RT_LAB仿真机，实时仿真接口板三部分组成，分别概述如下。

2变换器主电路

三电平H桥直流变换器主要由三电平逆变器、中频隔离变压器、不控整流器、LC滤波器等组成，其电路原理图如图1的主电路部分所示。直流输入电压Ud经过三电平H桥逆变器后得到三电平交流电压，经中频隔离变压器变压后，由整流桥整流并通过LC滤波器滤波获得直流输出电压，实现DC/DC的直流变换。三电压H桥结构的直流变换器可用于中压直流电网至低压电网的直接电能传送，中频隔离变压器也能够隔离中压电网和低压电网。

直流变换器的主要参数为额定功率：20 kW；额定输入电压：900 V；额定输出电压：300 V；额定输出电流67 A；开关频率：1 kHz。

3 RT_LAB实时仿真模型设计

基于RT_LAB，设计了实验平台的实时仿真模型，如图2所示。

该实时仿真模型共分为四个模块：

SM_Controller模块主要为电压电流双闭环PI控制器和运行参数的本地存储。

SC_console模块主要为运行状态的显示，PI参数在线调整以及充放电继电器控制。

SS_Controller模块主要为数字信号输入，数字信号输出以及综合保护信号的生成。

SS_Analog模块主要为模拟量输入，模拟量输出，数字滤波及比例调整。

其 中SM_Controller， SS_Controller，SS_Analog模块分别在仿真机中独立的CPU中运行，SC_console在上位机中运行。

图2实时仿真模型

4实时仿真接口板

RCP实时仿真平台的接口板如图 3所示，IGBT驱动、继电器、故障报警灯、紧急停机按钮等功能部件的信号经光耦隔离后与接口板连接，接口板上的FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）芯片对各路信号进行必要的分类处理后通过RT_LAB数字输入、输出接口与仿真平台软件通讯。传感器输出的模拟信号经过接口板上的调理电路处理后送入RT_LAB模拟输入接口。

4.1接口板与RT_LAB接口

试验室配备的RT_LAB实时仿真平台基于OP5600型机架，包含OP5353型32路数字输入板卡一块，OP5354型32路数字输出板卡两块。在设计接口板与RT_LAB仿真机之间的数字接口时需考虑二者接口的匹配性.

图3实时仿真平台接口板图

4.1.1 RT_LAB数字输入

RT_LAB OP5353型数字输入接口原理图如图4所示。设计电路见图5。

图2RT_LAB OP5353数字输入原理图

图5OP5353与接口板的接口电路

图6 OP5354数字输出板卡的接口电路

电平逻辑：

4.1.2 RTLAB数字输出

OP5354数字输出板卡与接口板中FPGA芯片的接口电路如图6所示。

电平逻辑：

4.2外围电路

4.2.1充放电继电器

采用两个GT24C高压继电器，控制线圈电压24 V，线圈电阻180Ω±10%，充电电阻为两个3.3 kΩ/50W功率电阻串联。放电回路使用相同型号的高压继电器一个，串联一个放电电阻3.3 kΩ/50 W。主回路中仅使用继电器的常开（NO）触点。继电器控制电路如图7所示。其中D17作用为保护光耦一次侧发光二极管，SMAZ10作用为保护光耦二次侧晶体管。OUT1为低电平时，TLP521一次侧发光二极管导通，二次侧晶体管导通。

4.2.2故障报警灯

选用带锁扣的红色按钮，使用常开（NO）触点。电路图如图8所示。紧急停机按钮按下时，常开触点闭合，TLP521一次侧发光二极管导通。

5实验仿真结果验证

基于搭建的实验平台，进行了三电平H桥直流变换器不同工况下的实时仿真和离线仿真实验。由于篇幅有限，取50%额定负载突加100%额定负载和过载限流两种典型工况下的实验结果进行验证说明。

5.150%额定负载突加100%额定负载动态实验

由50%额定负载突加100%额定负载的实时仿真如图9所示，离线仿真如图10所示。

对比实时仿真和离线仿真的结果，如表1所示：

?

由实验波形图和仿真结果表格对比可得，实时仿真和离线仿真结果基本相符。

5.2过载限流实验

过载限流的实时仿真如图11所示，离线仿真如图12所示。由实验波形图和仿真结果表格对比可得，实时仿真和离线仿真结果基本相符。

实验结果表明，实时仿真模型能够反映直流变换器不同工况的特性。对比实时仿真和离线仿真的结果，如表2所示。

6结束语

本文基于RT_LAB实时仿真系统，构建了三电平直流变换器RCP实时仿真实验平台，对三电平H桥直流变换器进行了半实物仿真，得到了50%额定负载突加100%额定负载和过载限流两种不同工况下的实时仿真波形，并与PSCAD离线仿真进行对比，结果表明此RCP实验平台运行稳定，能够准确反映三电平直流变换器的动静态特性。

［1]谢桢，付立军，肖飞，王瑞田.变换器模式快速识别PI自适应控制策略［J］.电机与控制学报，2013，17（1）:25-30.

［2]傅望，崔坤龙，罗时武.RT_LAB分布式实时仿真系统及其在电力电子中的应用［C］.2013年中国电机工程学会年会论文集，2013:1-6.

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

［4]王坚.电力电子系统硬件在回路仿真技术的探讨［J］.大功率变流技术，2011，（2）:1-5.

［5]薛伟敏，陈次祥，陆佩忠.实时仿真技术在船舶电力系统中的应用［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，Fan 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

国家自然科学基金（51477179，51477180），海军工程大学科学研究基金资助项目

郭鹏辉（1995-），男，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。