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>工业测试 > 并联逆变器控制器测试

本测试报告将向大家呈现StarSim实时仿真器与合作伙伴(知名电力电子设备厂家)的工业控制器间的闭环测试结果, 文中比对了实时仿真的测试结果和实际工况波形, 通过比对验证了小步长实时仿真对于电力电子系统测试的必要性和重要性,同时此次测试也应用和验证了StarSim 4.6 版本推出的重要新功能:多FPGA并行仿真(多FPGA并行仿真对于复杂和大规模的电力电子系统的实时仿真是非常有意义的)。


测试系统介绍

实时仿真系统与小步长实时仿真介绍

上图左边表示控制器同物理设备构成闭环,右边表示的是控制器同实时仿真器构成闭环。实时仿真(也称半实物仿真或硬件在环仿真)是用运行着物理系统数学模型、带IO接口板卡的实时计算机来模拟物理系统的行为;科研人员和工程师可以通过实时仿真器来对控制器进行非常接近真实情况的测试与验证。为了达到这个目的,确保实时仿真结果和实际工况结果的一致性是非常重要的, 这个也是本次报告的汇报重点。

电力电子系统中的开关一般都以kHZ的频率开合,为了准确仿真这样的系统,仿真步长一般要在1微秒的量级。远宽能源(ModelingTech)推出了基于FPGA的实时仿真方案来实现这样的小步长实时仿真。

单个FPGA上的计算资源总是有限的,为了应对复杂电力电子系统(多逆变器,多电平等)的实时仿真挑战,远宽能源(ModelingTech)的最新StarSim 4.6版本推出了多FPGA并行实时仿真功能,可以让用户通过并行多个FPGA的计算资源来实现更大更复杂系统的电力电子系统的实时仿真。


测试系统拓扑

该测试拓扑由两个三电平NPC变流桥并联而成,拓扑的右侧为变压器和负载,后续测试中的RL负载以及非线性负载等即指的是此处负载的变换。本次测试中应用了多FPGA并行仿真的功能,一个FPGA仿真卡仿真一个三电平NPC变流桥,两个FPGA之间通过高速通信交换数据。


测试系统照片

上图是进行半实物仿真测试的现场照片,并联逆变器的控制板作为待测对象,而MT (ModelingTech)半实物仿真平台里的FPGA以1微秒的小步长实时运行并联逆变器系统的模型。半实物平台与控制板之间通过实际物理接线完成信号闭环,上位机电脑用来进行实时仿真设置、模型下载、波形观测等功能,同时系统也接线到示波器中进行波形观测和保存。


测试1  — 非线性负载


  • 在这个测试中,系统负载是如下图的RCD负载:

  • 非线性负载的实际工况波形图:

上图中有1个电压波形(黄)3个电流波形(绿,蓝,红),其中蓝色和红色是分别是两台逆变器电流;因为均流算法,两个电流基本相同(重合);绿色是负载处电流(即两台逆变器电流之和)。


  • 非线性负载的半实物仿真测试波形图:


上图中黄、绿是2个电压波形,蓝、红是2个逆变器的电流波形(由于相关示波器设置,电流存在一点直流偏置)。通过半实物仿真测试,可以验证控制器的对并联逆变器的均流控制效果是很好的,两个逆变器的电流基本重合。


测试分析:

从半实物仿真测试和实际工况波形比对上可以看到,StarSim小步长实时仿真器准确的反应出了非线性负载的不规则电流波形;半实物仿真测试的结果和实际工况波形非常接近,验证了StarSim小步长实时仿真器的准确性; 而一些用平均值的大步长的电力电子仿真方法是很难仿真出类似的不规则波形。


测试2  — 突加负载


此时负载为普通的RL负载,通过拓扑图上的断路器实现负载的突然投切。

  • 实际工况波形图:突加负载0kw~120kw

上图一共有3个电压波形(蓝,黄,紫)1个电流波形(绿色)


  • 半实物仿真测试波形图:突加负载0kw~120kw

上图中有2个电压波形(绿,黄)和一个电流波形(紫),在负载投切的瞬间, 电流从0很快上升;而电压则由于负载的突然投入,有个瞬间的跌落再恢复的过程。


测试结果分析:

对比半实物仿真测试和实际工况波形,可以看到虽然因为投切负载的具体时间(相位)两个实验很难做到严格一致,但实时仿真器准确的反映出了实际测试时加载瞬间电压跌落的瞬态现象,这种瞬态波形用一些平均值大步长的电力电子仿真方法很难仿真出来。


测试结论剖析

小步长实时仿真的准确性 通过对一个并联的三电平NPC变流桥系统的非线性负载和瞬态工况的测试比对,充分验证了小步长实时仿真的准确性以及对于电力电子系统测试的必要性。

多FPGA并行仿真的准确性  从测试的结果看,双FPGA并行的StarSim半实物平台的运行结果与实际工况的测试结果基本一致,并网运行以及均流算法的控制效果都达到了预期,验证了StarSim半实物仿真平台的多FPGA运行依然能够达到小步长、低延时的标准,同时多FPGA板卡并行意味着仿真能力的叠加,这也为大系统小步长并行仿真提供了可能。


再次鸣谢合作伙伴(知名电力电子设备厂家)对本次测试的支持和现场工况波形的提供!


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