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华中科技大学 - 电力电子实时仿真实验室


应用背景


华中科技大学自动化学院成立以来,一直非常重视对学生实践能力的培养,尤其是理解和解决复杂工程问题的能力,强调控(制)管(理)结合、强(电)弱(电)并重、软(件)硬(件)兼施的培养人才。客户希望建一个电力电子相关教学实验室,结合最新的半实物仿真技术,希望设备可以: 

  • 进行本科实验教学:要让学生参与进来,自己动手搭建含电力电子系统拓扑,了解系统,更加直观的学习电力电子等新能源相关系统的原理以及对应控制理论。
  • 用作研究生博士生科研平台:能够用作科研平台,灵活进行含电力电子系统拓扑的搭建,进行研究。控制侧算法可以自定义,能够及时地对算法验证。 


但是传统的实验室平台设备损坏率高维护困难实验存在安全隐患以及实验课程设计缺乏灵活性,不能满足当前创新实验室建设的要求。不过随着仿真技术与虚拟仪器技术的出现,基于实时仿真的电力电子仿真实验平台,能够有效地解决因教学资源不足、传统实验方式过于刻板、实验室教学和维护费时费力的问题。

 

基于StarSim的解决方案

远宽能源的创新电力电子仿真实验平台,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,该部分也可以由DSP控制板代替,用于进行控制理论实验课程。

2——实时仿真机箱,可将用StarSim建模环境搭建的被控对象(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。

 

应用成果

应用实时仿真技术华中科技大学完成了电力电子实时仿真实验室的建设实验平台除了能完成如下实验也可以由教师自由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 


基础电力电子实验模块

(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桥单/双极性PWM控制实验

(5) 两电平桥SPWM实验

电机控制实验模块

(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

新能源与并网发电实验模块

(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

(11) 光伏系统MPPT实验

(12) 永磁同步风机系统控制实验


下图为实验室部署与运行的情况。

 

  


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