电力电子硬件在仿真技术中运用

2半实物实时仿真关键技术

2.1实时仿真平台

(1)dSPACE[4]

dSPACE实时仿真系统是德国dSPACE公司开发的控制系统开发及测试工作平台，其实现了与Matlab/Simulink的无缝连接。dSPACE在半实物仿真中的应用非常多，尤其在汽车行业应用最为广泛。它属于专用系统，硬件板卡都由dSPACE公司自行开发，处理器板具有高速的计算能力，同时具备丰富的I/O板，用户可以根据需要进行组合实现多种领域的半实物仿真。dSPACE实时仿真系统的优点是实时性强、可靠性高，但由于是专用系统，硬件设备相对昂贵。

(2)RT-LAB[5]

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司开发的实时仿真平台，它同样实现了与Matlab/Simulink的无缝连接。RT-LAB专门针对电力电子系统实时仿真开发了Artemis实时解算算法以及RT-Events等工具箱，在电力电子系统实时仿真领域得到了广泛的应用。RT-LAB最大的特点是其开放性和可扩展性，它可以兼容标准的商业I/O板卡和PC处理器，从而使得其硬件成本较低，可扩展性强。

(3)RTDS

RTDS实时仿真平台由加拿大曼尼托巴研究中心开发，专门为研究电力系统中电磁暂态现象而设计，在电力系统实时仿真领域的应用最为成熟和广泛。RTDS系统具备高计算能力的处理器板和丰富的I/O板卡，同时具有较完备的电力系统元件和控制系统元件模型库。RTDS系统为电力系统实时仿真专用系统，硬件设备相当昂贵。

(4)其他

除了以上3种应用较多的实时仿真平台外，还有一些实时仿真系统也得到了一定的应用，如华力创通的HRT1000、ADI系列实时仿真器、以及用于电力系统实时仿真的HyperSim等。

2.2开关延迟问题

实时仿真具有严格的时间边界，必须采用定步长仿真模式，所以实时仿真器的采样周期不可能与触发脉冲同步。实时仿真器采样周期与触发脉冲的异步性如图4所示。实时仿真器的采样时刻为固定间隔，即图中虚线所示的t(n-1)、t(n)、t(n+1)时刻，而触发脉冲跳变(即开关状态变化)的时刻发生在t(k)时刻，即在实时仿真器两次固定采样点的中间时刻，从而造成了开关延迟现象，t(k)时刻发生的开关事件直至t(n)时刻才能被实时仿真器捕捉到。开关延迟现象是定步长实时仿真中存在的特殊问题，影响了仿真结果的准确性，根据不同的电路结构，该现象将造成电压电流出现不真实的“尖峰”，即非特征谐波[6]，在某些情况下甚至会引起数值振荡。国外学者对此现象进行了深入研究[7-8]，主要有以下几种补偿算法。

(1)DIM(DoubleInterpolationMethod)

通过线性插值来解决离线定步长仿真中开关延迟问题在某些仿真软件中已经得到了成功的应用，DIM方法通过两次线性插值来解决定步长实时仿真中的开关延迟问题，其主要原理如图5所示。开关事件发生的时刻为te，但直到固定采样点时刻才被检测到，算法的具体过程为：a.由X1和X2线性插值得到Xe;b.将Xe作为初始状态解算到一个中间状态Xe+Ts;c.由Xe和Xe+Ts线性插值得到X′2。DIM方法从t2时刻检测到开关事件直到t3时刻计算出状态X3，经过了两次插值计算和两次正常解算步骤。该方法对于实时仿真来说计算量较大，但仿真结果非常准确。

(2)IEM(Interpolation-ExtrapolationMethod)

IEM方法原理如图6所示，其算法具体过程前两个步骤与DIM的一样，在得到Xe+Ts后，并不是往后回到t2点，而是直接线性外推得到t3时刻的状态X3。该方法从t2时刻检测到开关事件直到t3时刻计算出状态X3，经过了一次插值计算、一次正常解算步骤和一次外推计算。与DIM方法相比，该方法计算量稍小，仿真结果准确度稍差。

(3)PCM(Post-CorrectionMethod)

上述两种补偿方法都是通过修改状态来解决开关延迟问题，算法较为复杂，而PCM方法则另辟蹊径，通过修改开关函数来解决开关延迟问题，其原理如图7所示。图7(a)表示一个关断的开关事件发生在te时刻，经过定步长仿真后增加了A1区域误差，PCM方法则在下一个仿真周期减去A1面积用来校正仿真结果;类似的，图7(b)表示一个导通的开关事件发生在te时刻，经过定步长仿真后丢失了A2区域，PCM方法则在下一个仿真周期加上A2面积用来补偿仿真结果。

(4)GSAM(GatingSignalAveragingMethod)

该方法与PCM方法一样，也是通过修改开关函数来解决开关延迟问题，它基于平均值的思想，根据每个采样周期的占空比在下一个周期修改开关函数，保证其平均值相等，其原理如图8所示。该方法与PCM方法一样原理简单，而且实现方便，特别需要指出的是，该方法在一个仿真步长内能够处理“多重开关”事件而不会引起额外的延迟。“多重开关”[2]是指在一个步长内的不同时刻会出现多次开关动作，如图8中t1到t2时刻的一个仿真步长内出现了两次开关动作，则称之为“多重开关”。

国外最新研究表明，上述4种补偿算法在仿真频率为开关频率10倍以上时能取得较满意的效果，如果仿真频率不能满足该要求，则补偿算法仿真精度较低。例如，若开关频率为2~5kHz，则仿真频率至少为20~50kHz(对应仿真步长为50~20μs)，20μs的仿真步长是目前常规处理器的处理极限，也就是说，上述补偿算法对于开关频率高于5kHz的电力电子系统仿真是不准确的。另外，高开关频率将会使得定步长仿真中出现“多重开关”现象，同样也会影响仿真精度。开关频率与仿真步长对仿真结果的影响如表1所示。由以上分析可知，各种补偿算法并不能从根本上解决开关延迟问题，如果要从根本上解决开关延迟问题，必须将仿真步长缩短至足够小。

但常规处理器无法做到这一点，而基于FPGA技术的仿真器能很好的解决这一问题。近几年来，FPGA技术逐步应用于实时仿真领域，从用于PWM脉冲捕获的硬件I/O板卡开始，到用于超高速计算的处理器板，都采用了FPGA技术，目前主流的实时仿真系统如dSPACE、RT-LAB都提供了此类板卡。采用基于FPGA的处理器板可以将实时仿真步长缩短至ns级，从而不需任何补偿即可解决电力电子系统仿真图8GSAM补偿算法Fig.8GSAMcompensationalgorithm表1开关频率与仿真步长对仿真结果的影响Tab.1Theimpactofswitchingfrequencyandsimulationsteponsimulationresults开关频率/kHz122仿真步长/μs50500.5仿真结果误差±5%±10%±0.1%的开关延迟问题。但是由于基于FPGA建模难度较大，限制了其在复杂系统仿真中的应用，目前采用较多的方法是将FPGA处理器板与常规处理器板结合起来进行实时仿真——对实时性要求最高的模型让其在FPGA处理器板中运算;而对实时性要求稍低的模型则可以放在常规处理器板中进行运算。