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半实物仿真概念和应用

半实物仿真概念



电网与电力电子系统一般都具有电压等级高、功率大、实验(尤其是故障实验)较危险的特点,从安全、成本、不影响电网运行等角度考虑,一般较少直接在实际系统上进行科研或是产品测试实验,更多的是只能通过软件建模或者微缩的小功率模型来进行实验。


半实物仿真的基本原理是用运行着物理系统数学模型、带IO接口板卡的实时仿真计算机来模拟物理系统的行为。科研人员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。下图展示的是两种不同的研究和测试混合动力汽车里的电机驱动部分的控制器的方式,分别是同实际的物理设备构成闭环,以及同实时仿真器构成闭环。同时可以看到半实物仿真的一个特点是控制器同实时仿真设备的接口和控制器同真实设备的接口是一致的,这意味着半实物仿真提供了从实时仿真验证到实物验证的直接通路。


电力与电力电子系统的半实物仿真是随着多核CPU和FPGA芯片、实时操作系统等技术进步而发展起来的科研实验技术,尤其是电力电子系统的实时仿真更是由于近些年FPGA芯片技术的发展才成为可能。


半实物仿真应用



半实物仿真技术结合了普通离线仿真软件和小功率实物模拟的优点,即仿真软件易于改变拓扑,模拟故障工况的优点;小功率实物模拟能和同实际控制器构成闭环的优点, 因此实时仿真已成为电力和新能源行业科研、研发与测试的重要工具;尤其是在如下的两种场合:

电网相关的实验 对于研究网(电网,微网)这样的级别,或者设备和网互动(低压穿越,阻抗分析,高铁车网低频振荡)这样的问题,就是在微缩的物理系统上做实验,不管是成本,还是技术上,安全性上也都是有一定的困难的,实时仿真其实是很好的研究手段。

故障、极限工况和自动化测试等等   尤其是对于大功率系统,实时仿真对各种危险和极限工况很有意义的;而工业上需要的一些自动化、大批量的测试更是只有在实时仿真平台上才能实现。

正由于实时仿真的优势,其在高校和工业界都得到了越来越多的应用。基于实时仿真的实验系统引进先进理念和技术,支持设计型、研究型创新实验的开展,适应创新型人才和卓越工程师的培养需要;提供产、学、研一体化的校企科研合作平台,为不同科研领域和前沿方向,培养行业拔尖的具有实践动手能力和创新精神的复合型工程技术人才。

在工业界,实时仿真对于研究新的控制方法,缩短研发周期,确保产品的质量都有重要的意义,利用实时仿真进行测试已经成为电网、电力电子和电机驱动行业中控制器开发流程中不可缺少的一步。


同时根据测试对象的不同,半实物仿真的应用可以分为如下几种类型:

1.测试控制器



半实物仿真(实时仿真)的一个主要用途就是通过IO信号或者通信同控制板构成闭环,来对弱电的控制板(通常是DSP板)进行测试,具体如上图所示,这样一种测试方式常常也被称为“硬件在环仿真测试”(Hardware-In-the-Loop Testing)即HIL测试,这里“硬件”主要是指控制部分已经不是纯软件仿真中的一些控制框图,而是一个真实的控制器;通过HIL能够在很接近真实工况的情况下对控制板整体(板上芯片运行的控制算法,板子的IO通道等等)进行测试;同时,HIL具有易于测试故障工况,易于实现测试自动化,易于重现各种工况等优点。

2.测试电力电子装置(功率硬件在环)

实际的电力电子装置,如光伏逆变器,风机变流器等,不仅含有弱电的控制板还有电力电子开关(IGBT等)、电感、电容等电路元件;由于实时仿真可以灵活变换系统拓扑、模拟各种工况等优点,在很多情况下用户也想利用实时仿真器对电力电子装置进行各种测试,但仿真器通常只有弱电的IO接口,无法同电力电子装置对接。随着功率放大设备的技术进步,其支持的功率和响应速度都不断提高,功放设备已经可以和电力实时仿真器结合起来对电力电子装置进行测试,结构示意图如下:

如上的测试系统中有三个关键的部件: 实时仿真器,功率放大器,电力电子装置;电力电子装置一般在电力实时仿真器中建模为受控电流源,功率放大器将受控电流源的端电压放大为功率级的电压去驱动电力电子装置,而传感器把电力电子装置的电压电流等信息采集反馈给实时仿真器,通过这样一种方式建立起一个非常接近真实工况的场景来测试电力电子装置;这个测试方法一般被称为功率硬件在环仿真(Power Hardware-in-the-loop,简称PHIL)测试;功率硬件在环仿真测试既有实时仿真器的优点又有功率接口对接电力电子装置;正是由于这些特点,这个测试方法正越来越多被应用到电力电子行业产品的研发与测试中。

3.仿真加速

在有的场合,半实物仿真(实时仿真)没有用于测试外部的控制器和设备,而是作为一个功能强大的并行计算设备用来加速仿真计算,起到仿真加速的作用,这一点在大规模的电力系统仿真或者含有非常多的开关复杂电力电子系统的仿真中很常用,这类系统如果用普通的PC做仿真,耗时非常的长,影响工作效率。


半实物仿真和离线仿真的区别



离线仿真或纯软件仿真(即利用常用的仿真软件在电脑上做的仿真)虽然具有需要的PC设备普及,容易实现等优点;但普通PC不是实时系统,计算能力相对较弱,且没有输入输出IO接口,不能模拟和代替实际物理系统,具有非常多的局限性。

1.实时性的限制

半实物仿真(实时仿真)和离线仿真的共同点是它们都基于电气系统的数学模型和数值积分方法;但实时仿真要能够准确的模拟真实的物理系统,不仅仅要像离线仿真一样有准确的数学模型和模型参数,同时每一步的仿真计算都要在仿真步长对应的自然时间内完成,不然就会导致超时和模拟结果不准确。而实时性这个硬时间限制使用于实时仿真的数学模型和仿真方法都和离线仿真都会有所区别和不同,这个将在下面的章节详述。

另外,由于实时性的限制,使得实时仿真只能采用定步长的仿真算法,不同于一些离线仿真算法可以采用变步长的仿真算法。

2.传感器模型

半实物仿真因为要同真实的控制器构成闭环系统,除了主电路模型,常常还需要包含实际物理系统和控制器之间的传感器的模型,比如对电机系统的模拟中,除了电机的模型,半实物仿真系统还需要考虑编码器或者旋变等电机转子位置传感器的模型,但离线仿真中一般是不考虑传感器模型的。

3.用途和特点不同

从应用的角度来说,离线软件仿真,实时仿真(HIL、PHIL),物理设备实验,这些测试方式都是电力与新能源行业科技工作人员经常采用的研发与测试手段。 从用途来看:



从每种方法的测试特点来看,它们有如下的区别:



可以看到实时仿真一套设备可以仿真多种不同的系统(只需更换模型),适合对并网型系统的控制器进行测试,尤其是进行故障实验;同时实时仿真还具有仿真加速,易于实现测试自动化等优点。正是由于实时仿真(半实物仿真)的如上优点,基于实时仿真的开发方式已经被视为现代控制器开发流程中不可缺少的一步,对于缩短控制器的研发周期、确保产品的质量都有非常重要的意义。



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