引用本文
刘京斗, 李小均, 吴学智, 荆龙, 王旭亮. 基于RT-LAB的PET中间级直流变换器半实物仿真平台设计[J]. 北京交通大学学报, 2017,41(2): 117-122.
LIU Jingdou, LI Xiaojun, WU Xuezhi, JING Long, WANG Xuliang. Design of hardware-in-the-loop simulation platform for PET intermediate level DC/DC converter based on RT-LAB[J]. JOURNAL OF BEIJING JIAOTONG UNIVERSITY, 2017,41(2): 117-122.
Doi:10.11860/j.issn.1673-0291.2017.02.019  
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基于RT-LAB的PET中间级直流变换器半实物仿真平台设计
刘京斗1, 李小均1, 吴学智2, 荆龙1, 王旭亮1
1.北京交通大学 国家能源主动配电网技术研发中心,北京 100044
2.北京电动车辆协同创新中心,北京 100044

第一作者:刘京斗(1975—),男,河北栾城人,工程师,硕士.研究方向为电力电子及新能源发电技术.email:jdliu@bjtu.edu.cn.

收稿日期: 2017-01-03
基金: 北京市科技计划项目(Z161100000716003)
摘要

隔离型双向DC/DC变换器是电力电子变压器(PET)的重要组成部分,其性能好坏将显著影响整个PET的功能.大功率隔离型双向DC/DC变换器多采用模块化串并联的方式实现.设计过程中存在控制复杂、研发周期长、测试困难等问题.本文基于RT-LAB搭建了包含模块化隔离型双向DC/DC变换器实际物理装置的半实物仿真平台,利用RT-LAB的控制功能及在线参数调试等特点对系统进行优化设计.实现了输入串联输出并联型DC/DC变换器均压均流控制策略.结果表明:该半实物仿真平台是研究模块化DC/DC变换器系统的有效方法.

关键词: 隔离型双向DC/DC变换器; 半实物仿真; 电力电子变压器; 输入串联输出并联
中图分类号:TM46 文献标志码:A 文章编号:1673-0291(2017)02-0117-06
Design of hardware-in-the-loop simulation platform for PET intermediate level DC/DC converter based on RT-LAB
LIU Jingdou1, LI Xiaojun1, WU Xuezhi2, JING Long1, WANG Xuliang1
1.National Active Distribution Network Technology Research Center, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China
2.Beijing Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles, Beijing 100044,China
Fund:Beijing Municipal Science and Technology Project(Z161100000716003)
Abstract

Isolated bi-directional DC/DC converter is an important part of power electronic transformers, its performance will significantly affect the function of the entire Power Electronic Transformers(PET). Modular series-parallel structure is an effect way to realize high-power isolated bi-directional DC/DC converter, while the challenge of control complexity,testability and long developing cycle exist.A hardware-in-the-loop simulation platform is proposed and implemented on RT-LAB,which includes the physical device of the modular isolated bi-directional DC/DC converter and its control part.The system is optimized with RT-LAB control and online tuning function. The input-series-output-parallel DC/DC converter voltage and current equalization control strategy is realized.The results show that the hardware simulation platform is an effective method in studying the modular DC/DC converter system.

Keyword: hardware-in-the-loop simulation; isolated bi-directional DC-DC converter; power electronic transformer; input-series-output-parallel

电力电子变压器(PET)具有电压变换、潮流控制和故障隔离等功能, 是未来智能配电网的重要电气设备[1].PET通常具有三级结构, 包括高压侧的模块化多电平变流器(Modular Multilevel Converter, MMC)、中间级隔离型双向DC/DC变换器和低压侧逆变器[2].由于PET的容量较大, 中间级的DC/DC变换器设计尤为关键, 为降低难度, 通常采用模块化串并联结构.目前, 针对大容量模块化DC/DC变换器的研究大多处于电路拓扑、仿真验证和原理样机阶段, 因此其控制算法并不成熟[3].由于隔离型双向DC/DC变换器拓扑结构复杂, 开关器件多, 通常采用数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)进行控制, 不仅编写程序耗费时间, 而且无法实现在线参数调整.多个模块组成系统后, 设计和调试的复杂性进一步提高, 给控制系统的设计和验证带来很大的挑战.

RT-LAB实时仿真系统具有计算精度高、实时性强和稳定性好等优点, 已在国内外被广泛应用[4].文献[5]搭建了基于RT-LAB的3 MW风电变流器硬件在环仿真平台, 结果表明:该平台所用控制算法对实际变流器同样适用.文献[6]利用RT-LAB半实物仿真平台验证了MMC的控制算法, 结果表明:该平台是研究MMC的一种有效手段.文献[7]设计了基于RT-LAB的多端直流输电实验平台, 实验结果表明:该系统能够实现多端系统的稳定运行.

为缩短研发周期, 本文作者设计了基于RT-LAB实时仿真平台的模块化隔离型双向DC/DC变换器硬件在环仿真系统, 以此来完成控制算法的开发.并在该半实物仿真平台上完成了两台DC/DC变换器输入串联输出并联(ISOP)的稳态和动态实验, 结果表明:该平台可以为模块化DC/DC变换器研究开发提供有效途径.

1 ISOP隔离型DC/DC变换器
1.1 单台隔离型DC/DC变换器工作原理

本文设计的半实物仿真平台所用模块化DC/DC变换器主电路由4台双向隔离型DC/DC变换器组成, 单台DC/DC变换器的电路拓扑如图1所示, 包括一个半桥和两个H桥.在Buck模式下, 通过控制H1桥上管的占空比调节输出电压, H2桥和H3桥都为50%占空比互补导通状态; 在Boost模式下, H1桥的上管一直开通, 下管一直关断, H2桥为50%占空比互补导通状态, H3桥通过桥臂间的移相实现升压.

图1 单台DC/DC变换器拓扑Fig.1 Topology of single DC/DC converter

1.2 ISOP型DC/DC变换器控制策略

在配电网应用场合下, 由于输入电压高而输出电压低, 故本文的DC/DC变换器采用ISOP结构[8], 如图2(a)所示。对于这种连接方式的DC/DC变换器, 关键在于保证输入均压和输出均流.

图2 ISOP系统及控制策略Fig.2 ISOP system and control strategy

为实现DC/DC变换器的模块化设计, 提高系统的可靠性和冗余性。单台DC/DC变换器的控制采用基于模块本地信息的分布式控制策略.模块的控制电路分布在各个模块中, 可独立工作。如图2(b)所示, 每个模块的控制环节只采样自身的输入电压 Vinj(j=1, …, M)、输出电压 Voutj(j=1, …, M)和电感电流 iLj(j=1, …, M).各个模块的控制电路没有公共部分, 且在控制上无任何联系, 提高了ISOP型系统的模块化程度.单台DC/DC变换器采用图2(b)所示的双闭环控制策略, 外环包括输入均压环和输出电压环, 内环为电流环, 控制环节的输出为开关管的占空比信号.采用双环控制可加快系统动态响应速度, 增强过流抑制能力.相关研究表明[9, 10]:ISOP型DC/DC变换器, 输入均压闭环和输出电压闭环是解耦的, 即可以单独设计.故输入均压

采用传统的下垂控制, 输出电压环采用PI调节器以得到稳定的输出电压.

为分析控制策略的工作原理, 本文以图2所示的两台DC/DC变换器组成的ISOP系统为例.当系统进入稳态后, 各模块输入电压和输入电流分别满足下式为

Vin1=Vin2=Vin2(1)Iin1=Iin2=Iin(2)

式中: Vin1、Vin2、Iin1、Iin2分别为1#、2#模块的输入电压和输入电流; Vin和 Iin为系统总输入电压和总输入电流.

假设某时刻均压遭到破坏, 1#模块输入电压 Vin1受到扰动下降, 2#模块的输入电压 Vin2上升.则1#模块的输入电压值 Vin1小于其给定的参考值 Vin1_ref, 则输入均压环给出的电感电流补偿值为负, 即减小电感电流.而总输入电流 Iin不变, 1#模块输入电流 Iin1减小, 则1#模块电容电流 Icd1增加, 即1#模块电容充电使输入电压 Vin1上升, 经过一段时间回到稳态.同理, 2#模块电容放电使其输入电压下降.当输入实现均压后, 因系统输入串联电流相同, 所以每个模块的输入功率相等。输出侧并联电压相同, 则可以实现输出均流.

2 半实物仿真平台结构及仿真实现
2.1 功率子模块简介

图1所示的单台隔离型DC/DC变换器拓扑中的3个桥臂, 在实际的功率电路中, 分别由3个功率子模块组成, 子模块外观如图3所示.为适应工程应用, 子模块的设计遵循集成性原则.子模块电路主要包括功率电路和控制电路, 二者通过光耦进行隔离以减少功率电路对控制电路的噪声干扰.主电路的核心单元是三菱公司的智能功率模块IPM, 再加上采样电路、吸收电路和检测电路等外围电路.控制电路的核心部分是复杂可编程逻辑器件CPLD, 还有与之配合的接口电路、驱动电路和保护电路等.控制电路主要完成对功率子模块的控制和保护功能, 包括IGBT驱动和保护、故障指示与反馈和子模块旁路等.同时, 子模块控制电路与DC/DC变换器上级控制器之间没有电气联系, 所需的控制信号通过光纤进行收发.

图3 功率电路子模块Fig.3 Power circuit sub-module

2.2 半实物仿真平台整体结构

模块化隔离型双向DC/DC变换器半实物仿真平台结构如图4所示.该平台主要包括上位机、目标机和DC/DC变换器主电路.应用该平台, 可以直接将Matlab/Simulink搭建的DC/DC变换器模型用于实时仿真和控制.其中上位机安装有Matlab/Simulink和RT-LAB软件, 具有建模、在线调参和信号监控等功能.目标机是Opal-RT公司专门为半实物仿真应用而设计的基于PC的实时仿真器, 具有多核并行处理数据的能力, 可对复杂模型进行分解计算, 且配置多块数字量和模拟量输入输出板卡(I/O板卡), 为采样信号和控制信号提供输入输出通道.本文的目标机采用Redhat操作系统, 以3核分布式并行计算实现对被控对象的实时精确模拟.

图4 半实物仿真平台Fig.4 Hardware-in-the-loop simulation platform

模块化DC/DC变换器硬件部分主要由信号调理电路和DC/DC变换器主电路组成, 图5为其实物图.信号调理电路主要包括调理板和光纤转接板, 其中调理板的功能是将DC/DC变换器的电流电压等采样信号转换成± 10 V之间的电压信号, 并将该信号反馈至RT-LAB用于在线监测和控制.光纤转接板对RT-LAB输出的PWM信号和控制信号进行转换, 并通过光纤发至各个功率子模块.调理板和光纤转接板通过排线与目标机的I/O板卡连接.

图5 模块化DC/DC变换器功率电路Fig.5 Modular DC/DC converter power circuit

2.3 半实物仿真实现流程

上位机安装有RT-LAB和Matlab软件, RT-LAB可与Matlab/Simulink实现无缝连接.在Simulink中搭建数学模型, 并对模型进行实时化处理, 然后对模型分割、编辑和编译, 编译生成的C代码通过以太网下载至目标机中.目标机加载代码后采用多核分布式并行计算实现DC/DC变换器在环半实物实时仿真.图6为其仿真流程图.RT-LAB对系统模型进行分割是将复杂模型划分为多个可并行执行的子系统, 即划分为模型系统、实物系统和监控系统, 对应前缀分别为SM_、SS_和SC_.SM_子系统的作用是控制模型实时计算和网络同步, 包括控制信号和I/O操作的Simulink模块.SS_子系统主要是仿真中以实物形式参与仿真部分的模型, 本文为4台隔离型双向DC/DC变换器.SC_子系统的功能是对仿真系统中的关键数据、曲线进行实时监控, 包括所有用户界面模块.

图6 RT-LAB仿真流程图Fig.6 RT-LAB simulation flow chart

3 仿真与实验
3.1 仿真验证

在Matlab/Simulink中搭建由2台DC/DC变换器组成的ISOP型系统, 主要电路参数为:输入电压200 V, 输出电压160 V, 电感1.5 mH, 变压器原副边匝比 K=1∶ 1, 开关频率10 kHz.

图7是负载由40 Ω 变为20 Ω 时的仿真波形.由图7可知, 当负载突变时, 两个模块的输入电压可均分, 输出电压能够稳定.但由于下垂控制的有差调节特性, 两个模块分得的电压不能完全相同.在负载为40 Ω 时, Vin1与 Vin2相差4 V左右; 在负载为20 Ω 时, Vin1与 Vin2相差2 V左右.误差在可接受的范围内.图8是负载为40 Ω 时的变压器原边电压和电感电流.图9是输入电压突变时的仿真波形.从图上可看出, 当忽略下垂控制带来的误差时, 输入电压可以均分, 而且输出电压也是稳定的.

图7 负载突变时的输入输出电压Fig.7 Input and output voltage when the load is abrupt

图8 变压器原边电压和电感电流Fig.8 Transformer primary voltage and inductor current

图9 输入电压突变时的输入输出电压Fig.9 Input and output voltage when the input voltage is abrupt

3.2 实验结果

在仿真的基础上, 利用上文所述的半实物仿真平台完成了两台ISOP型DC/DC变换器的相关实验.基本实验参数为:总输入电压100 V, 输出电压30 V, 负载20 Ω , 电感1.5 mH, 变压器原副边匝比 K=1∶1, 开关频率10 kHz, 仿真步长为10 μ s.实验结果如图10所示.

图10 实验相关波形Fig.10 Waveform of the relevant experiments

图10(a)是投入输入均压控制环节前后的波形, 可见在投入均压环后两模块的电压均分了总电压, 且输出电压可以稳定在给定值.图10(b)是负载由20 Ω 变为10 Ω 时的实验波形.故在负载突变时能够实现输入均压, 输出电压也可以稳定.图10(c)是负载为20 Ω 时的变压器原边电压和电感电流.

4 结论

针对应用于PET的模块化隔离型双向DC/DC变换器, 本文设计了基于RT-LAB的DC/DC变换器半实物仿真平台, 并在该平台上进行了两台输入串联输出并联隔离型双向DC/DC变换器的实验.

1)分析了ISOP系统的双环控制策略, 在该控制策略下, 系统可实现完全模块化的结构, 提高了系统的可靠性和冗余性.

2)阐述了所设计平台的结构及RT-LAB的仿真实现流程, 该平台包含DC/DC变换器硬件电路, 可以在线调试参数, 故能够大幅缩短研发周期, 降低实验风险系数.

3)仿真和实验结果验证了控制策略的有效性, 也表明该半实物仿真平台可以正常运行.该平台开发的控制策略对实际变换器同样适用, 是研究模块化DC/DC变换器的一种有效途径.

The authors have declared that no competing interests exist.

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