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ModelingTech电力电子实时仿真实验系统旨在为电气相关专业的本科生和研究生提供技术领先、性能优异的创新实验平台,基于该建设方案构建的创新实验基地,能够辅助本科生和研究生进行 《电力电子技术》 、《电机控制》、 《电力系统中的电力电子》 、《新能源发电技术》等相关专业课、选修课的教学和实验。

仿真实验系统共由四个部分组成:

1——控制机箱,内置控制器,用于实现电力电子仿真实验中需要用到的控制算法,发出控制信号给实时仿真机箱,构成闭环的实验系统,用于进行控制理论实验课程。

2——实时仿真机箱,可将用StarSim/Simulink搭建的被控对象(电力电子电路系统和拓扑)在机箱配置的FPGA硬件上进行准确的实时仿真,将被控对象的特性仿真出来并将响应信号发送给控制侧,完成实验系统的闭环。

3——实验转接板,用于实现控制侧与仿真侧之间的信号连接,同时转接板上配备了BNC接口,学生可以在实验过程中通过示波器实时观察每一路信号的波形情况。

4——示波器(可选配置),方便学生在实验过程中观察实际信号,对系统运行的原理有更直观的认识。

仿真实验系统的运行架构如下图所示:

 

仿真器和控制机箱通过实验转接板进行信号传输,控制机箱采集仿真电路的模拟信号,并通过算法计算并实时发出控制信号(数字信号);仿真器接受控制信号,实时仿真出电路的响应并输出给控制机箱构成仿真系统的闭环。其中,仿真实验的电路拓扑通过StarSim Editor或Simulink/SimPowerSystem进行可视化模型搭建,并通过基于配置的模型管理软件StarSim HIL进行物理IO接口的配置,然后下载到仿真器上实时运行;仿真实验的控制算法和上位机运行界面运行在外置控制机箱上;实验转接板除了提供信号传输的回路,板上配置的BNC接头可以外接示波器,在实验过程中进行真实信号的观测,获得更直接的实验体会。

实验课程内容:

电力电子技术:

(1)    Boost电路实验

(2)    Buck电路实验

(3)    半控桥(晶闸管)整流实验

(4)    H桥双极性PWM控制实验

(5)    两电平桥SPWM实验

电机控制:

(6)    交流电机恒压频比控制实验

(7)    永磁同步电机矢量控制实验

电力系统中的电力电子:

(8)    并网型逆变器控制实验

(9)    三电平并网变流桥控制实验

(10)  基于两电平桥的无功补偿SVG实验

新能源系统实验:

(11)  光伏系统MPPT实验

(12)  永磁同步风机系统控制实验

ModelingTech电力电子仿真实验系统具有相当的开放性,除了如上的12个实验,教师和学生可以自行搭建电路拓扑和研究对象进行教学实验的拓展,完善电气学科的实验教学建设。

 

仿真实验教学的优势

1.  技术前沿

传统电力电子教学实验室的建设是有非常有挑战性的,一般会采用小功率的实物系统或者纯软件来进行实验或者科研,但是实物电力电子系统一般都具有电压等级高、功率大、实验危险等不利因素;而纯虚拟仿真(即利用软件在电脑上做的纯软件仿真,也称纯软件建模)虽然可以很方便的模拟实际系统,但由于没有实际的输入输出接口,不能更为实际地替代系统,也无法和控制器通过IO相连,具有非常多的局限性。

ModelingTech基于FPGA的电力电子实时仿真技术解决了这一难题,其的基本原理是用运行着数学模型的实时系统来模拟实际系统的行为,通过实际的IO接口与外界相连,不仅利用了软件建模的灵活性,也具有替代实物系统的能力。电力电子仿真实验室系统是基于FPGA的实时仿真,这样的设备用在教学实验中,既能真实模拟各种功率等级的电力系统运行状态,又能给学生提供动手操作的安全实验环境,是区别于传统电力电子教学的新型实验方法。


 2. 实验课程设计灵活

对于一些电力系统的实验,出于安全性的考虑,无法在实际系统上进行实验和教学。只有使用纯仿真软件进行理论教学的方法。但是纯软件的仿真教学较难让学生对控制方法和被控对象有直观的认识,让学生的学习和认知比较表面。而实时仿真和纯软件仿真不同,控制器是真实的实际硬件控制器,使用实时仿真作为实验教学的平台,可以更好地培养学生的实际动手能力,也有利于培养学生的操作能力、分析调试能力、设计能力和创新意识。

  • ModelingTech基于FPGA的仿真实验覆盖了非常大的应用范围,如变流器相关的电力电子技术、新能源发电和并网技术、常用电机的控制技术等,结合课程设计有很大的教学灵活性;
  • 学生可以接触到实际的控制设备,自主动手配置、连线、调试并通过示波器观察控制侧或仿真侧真实的信号;
  • 学生可以安全的模拟环境下,自主搭建各种功率等级的电力电子系统拓扑并进行实验研究,助力专业知识的学习与概念理解;
  • 学生可以在不同的模拟系统环境下体验学习电力电子控制控制系统,例如电网的干扰和短路故障情况等,这样有利于学生获得与更接近真实情况的学习体验

基于实时仿真的实验系统引进测试领域全球先进理念和技术,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。

3. 平台优势

ModelingTech仿真实验平台使用NI的硬件,作为教学实验的基础具有以下优势:

  • 领先的技术:NI作为享誉国内外的测试测量与自动化平台,其产品具有长期的兼容性与完善的技术支持。基于通用硬件的系统搭建模式契合未来的平台发展方向,能帮助学生对通用硬件有更深入的了解和认识。
  • 广泛的应用:NI具有广泛的用户群,配合NI LabVIEW在工程应用上有无数经典的方案。学生在本科或研究生阶段接触这些在工业界广为采用的系统构建方式,并学习相关的开发技术,对其今后从事科学研究或实际工作都大有裨益。
  • 与教育相结合:NI致力于与国内外各高校建立长期合作关系,针对一系列课程开发出适合国内教学大纲的教学实验资源。随着这些资源的不断完善与扩展,基于NI平台的仿真实验系统会为高校教学带来长久的专业支持与资源帮助。



        Note: SimPowerSystems is the trademark of MathWorks.

        Note: Simulink is the trademark of MathWorks.  

        Note: MATLAB is the trademark of MathWorks

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