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无需 FPGA 编译,单相级联逆变器并网实验应用测试

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  • 现代应用中越来越多的负载需要高电压,大电流供电。通常逆变器输出的电压受到了开关管耐压值的限制,为了突破单管器件的耐压程度限制,基于级联型的变换器被学者所提出,这种基于变换器的级联方式,不仅可以实现能量输出的汇聚,还可以提升系统输出电压的大小。级联型变换器相对于传统两电平,三电平变换器来说,在减小无源元件体积和降低开关电压应力等方面表现出很大的优势。所以近些年对于级联多电平逆变器的研究和应用一直在持续进行。

    级联型逆变器是由若干个基本逆变单元(例如H桥逆变器)通过级联组成的。这种逆变器主要是通过对每一个逆变单元输出的方波进行叠加合成。近年来,级联多逆变器在中高压调速、电力有源滤波器等应用中已引起了极大的关注,成为中高压能量变换的首选方案。

    对于高校实验室来说,搭建这样的功率实物系统比较繁琐,同时存在用电安全问题,未经验证的控制器前期存在较多问题,直接进行实物调试,会导致测试成本和安全风险增高。所以团队希望能够在空间相对局限,以及安全的情况下快速完成控制程序代码的开发验证。

    在实际的仿真应用中,系统一般可拆解为控制侧与被控的对象侧(例如,电机驱动系统是由DSP控制器和实物电机构成),实时仿真主要用于模拟对象侧的仿真,它是用实时仿真器同控制器构成闭环测试系统的应用,也叫硬件在环仿真(HIL)。

    实时仿真技术结合了普通离线仿真软件和功率实物模拟的优点,已成为电力与新能源行业科研、研发与测试的重要工具,在高校和工业界都得到了越来越多的应用。

    本次所搭建的单相级联逆变器就是多电平级联逆变器的其中一种,这种拓扑主要应用在电气化铁路新型牵引供电系统,在实验室的环境下快速安全的搭建半实物仿真验证平台,是帮助用户更快速验证系统可行性的有效工具。本文主要为大家分享利用 easygo 仿真平台对单相级联逆变器并网实验的验证。

    本次测试模型使用4模块H桥(CHB-4)逆变器,电路参数为:直流电压60V,网侧电压216V/50Hz,调制度为0.9,对称电感2mH;调制算法采用载波层叠脉宽调制(PD-PWM)。该实验主要是在进行电力电子系统在环测试时,同时通过实时修改它的电路参数来进行不同工况突变下的连续测试,来测试平台动态性能。

    西南交通大学某团队实验现场图

    如上图所示,本次实验使用了EasyGo仿真平台 NetBox ,搭载上位机软件DeskSim。NetBox利用FPGA进行ns级的电力电子系统实时仿真,通过物理IO 对接控制器进行测试,满足电力电子系统高频控制的特点。由于接口都是弱电信号,无需担心安全问题,极大加快测试的进程。

    实验结束后,西南交通大学本次实验带队老师感慨道:“现在国内的实时仿真产品技术越来越让人惊艳。相较之前实验室使用过的其他国外实时仿真产品,Netbox 在降低了上手操作难度的前提下,还保证了实验测试的精准性。难能可贵的是,产品技术支持响应很快,虽然没有到现场来进行试用培训, 但是通过远程的方式,两天就让学生们上手了。学生们也都向我反映,用你们的 netbox 做仿真实验,他们搭建的离线模型基本不需改动,就可以下载到NetBox上运行,甚至 FPGA 编译都省去了,真的是给他们节约了不少时间。“

    一口气说了这么多,非常感谢何老师对我们产品及技术支持服务的认可,下面让我们来看一下本次实验的成果展示:

    根据测试结果分析,NetBox 较好地实现了CHB-4的硬件电路模型,且端口电气量测量效果良好。

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