1.  系統(tǒng)簡介

HX100新能源實(shí)時仿真和硬件在環(huán)平臺，主要為教學(xué)及科研設(shè)計的風(fēng)電、光伏、儲能等電力電子及電機(jī)硬件在環(huán)仿真交鑰匙開發(fā)、測試及研究平臺。基于該平臺，用戶無需關(guān)注HIL平臺如何搭建、上位機(jī)軟件如何配置，節(jié)省了平臺搭建、軟件環(huán)境配置、框架模型構(gòu)建所需要的大量時間，將寶貴的時間全部留給了核心算法研究、開發(fā)和驗(yàn)證測試，可極大程度地方便教學(xué)及科研工作。

HX100/HX400新能源硬件在環(huán)（HIL）平臺主要包括HIL101/HIL404高精度實(shí)時仿真器、HX6022自動代碼生成DSP控制器、Typhoon HIL實(shí)時仿真軟件包、電力電子及電機(jī)HIL示例模型（含Simulink雙閉環(huán)控制算法模型）、高精度示波器、BNC接口板及上位機(jī)PC。

3. 系統(tǒng)功能

HX100新能源實(shí)時仿真和硬件在環(huán)平臺可方便地用于電力電子及電機(jī)等領(lǐng)域的科研或者教學(xué)工作。借助平臺配套的示例模型，平臺具備方便的電力電子控制和電機(jī)控制的HIL仿真測試功能。基于平臺配套的示例的模型，用戶可以方便的對系統(tǒng)的功能進(jìn)行擴(kuò)展。

科研領(lǐng)域主要可擴(kuò)展功能可包括：

（1）新能源風(fēng)、光、儲控制算法研究、開發(fā)及測試驗(yàn)證。

（2）電機(jī)調(diào)速、電機(jī)控制算法研究、開發(fā)及測試驗(yàn)證。

（3）多逆變器（HIL101仿真器最多3臺，HIL404仿真器最多4臺）協(xié)調(diào)控制策略研究、開發(fā)及測試驗(yàn)證。

教學(xué)方面，該平臺具有靈活的擴(kuò)展能力，可方便地支持電力電子及電機(jī)領(lǐng)域的各個教學(xué)實(shí)驗(yàn)純數(shù)字仿真及HIL仿真，如：

（1）直流斬波電路實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)（Buck斬波電路、Boost斬波電路、Sepic斬波電路、Cuk斬波電路、Zeta斬波電路等等）

（2）單相正弦波（SPWM）逆變電源實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（3）單相交直交變頻電路實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（4）移相控制全橋零電壓開關(guān)PWM變換器實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（5）三相橋式半控整流實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（6）三相橋式全控整流及有源逆變電路實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（7）三相三電平特定諧波消除PWM調(diào)制實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（8）方波無刷直流電動機(jī)（BLDCM）調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（9）雙閉環(huán)三相異步電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（10）正弦脈寬調(diào)制（SPWM）變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（11）空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

（12）矢量變換控制與直接轉(zhuǎn)矩控制變頻調(diào)速系統(tǒng)實(shí)時仿真HIL實(shí)驗(yàn)

為方便HX100/HX400新能源硬件在環(huán)（HIL）平臺使用，漢象公司提供了兩套完整的CHIL示例模型，分別是并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制CHIL仿真以及電機(jī)調(diào)速雙閉環(huán)CHIL仿真。

4.1 并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制示例

采用典型的LC濾波逆變器拓?fù)洌贛ATLAB自動代碼生成功能搭建實(shí)現(xiàn)了PQ外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制算法。

基于Typhoon HIL實(shí)時仿真軟件并網(wǎng)逆變器模型見下圖所示，主要包括等值電網(wǎng)、LC濾波器、并網(wǎng)斷路器、三相逆變器模塊以及測量模塊等。

配套的SCADA界面如下圖所示。

其中，主要控件的功能如下：

★ Grid Monitor分組：電網(wǎng)電壓設(shè)置以及信息觀測；

★ Inverter分組：逆變器信息觀測以及控制；

★ PWMs：以250ms刷新率，指示PWM狀態(tài)（主要用以觀測是否有PWM）。

主要需要的操作是在Inverter分組里，包括：

★ InitIO：模型啟動運(yùn)行初始化事件，自動配置設(shè)置IO輸出以及自動給定功率參考值；

★ En：選擇控件，模型以及控制器程序運(yùn)行后，使用該控件功能進(jìn)行并離網(wǎng)操作；

★ Pref：正常并網(wǎng)之后，設(shè)置功率參考值；

★ Qref：正常并網(wǎng)之后，設(shè)置無功參考值。

并網(wǎng)逆變器雙閉環(huán)控制自動代碼生成控制算法模型如下圖所示。

控制執(zhí)行周期10kHz。從圖中也可以看出模型主要有如下幾個部分：

★ 橘紅色框部分：模型初始化配置模塊，包括ADC數(shù)據(jù)讀取；

★ ArrangeADC子系統(tǒng)：獲取外擴(kuò)16路16位ADC的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行重新排序；

★ ADCToReal子系統(tǒng)：將AD讀到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成模型中的實(shí)際值；

★ Ctrl子系統(tǒng)：雙閉環(huán)控制算法子系統(tǒng)，可根據(jù)需要修改；

★ LED_control子系統(tǒng)：控制HX 6022的LED周期性閃爍子系統(tǒng)；

★ 3路DAC模塊：輸出參考波到HIL仿真器的模擬量輸入1~3通道；

★ 3個ePWM模塊：生成6路PWM脈沖；

★ 1路GPIO模塊（FromTyDO07）：控制算法使能信號，接收來自HIL仿真器DO的第7個通道信號，高電平使能控制算法執(zhí)行。

CHIL系統(tǒng)運(yùn)行后，在SCADA可以方便觸發(fā)控制器運(yùn)行、修改有功或者無功的參考值，查看波形，觀測控制器的控制效果或者保存數(shù)據(jù)等等。

圖 11  SCADA界面設(shè)置有功及無功參考值

采用典型的永磁同步電機(jī)，基于MATLAB自動代碼生成功能搭建實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)電機(jī)調(diào)速控制算法。

基于Typhoon HIL實(shí)時仿真軟件電機(jī)調(diào)速模型見下圖所示，主要包括直流電源、調(diào)速變頻器、電流測量以及電機(jī)模塊。

電機(jī)調(diào)速模型配套的SCADA界面如下圖所示。

其中主要控件的功能如下：

★ Settings分組：轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速設(shè)置以及IO初始化等；

★ PWMs：以250ms刷新率，指示PWM狀態(tài)（主要用以觀測是否有PWM）；

★ Capture/Scope：高速示波器，顯示電壓電流、轉(zhuǎn)速等信息，可在線添加或者修改顯示變量。

主要需要的操作是在Settings分組里，包括：

★ InitIO：模型啟動運(yùn)行初始化事件，自動配置設(shè)置IO輸出；

★ LoadTorque：滑塊控件，設(shè)置電機(jī)參考轉(zhuǎn)矩（需要等電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后）；

★ SpeedRefSet：滑塊控件，設(shè)置電機(jī)參考電磁轉(zhuǎn)速（需要等電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后）；

★ Reset：按鈕控件，觸發(fā)HIL數(shù)字量7通道輸出，復(fù)位HX 6022控制器控制算法；

自動代碼生成控制算法模型見下圖所示，控制執(zhí)行周期10kHz。整體結(jié)構(gòu)與并網(wǎng)逆變器控制算法非常類似，主要的不同是eQEP2模塊用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置脈沖檢測和轉(zhuǎn)速提取提供輸入信息。其輸入信號來源HIL404的DO輸出的4~6通道（ABZ）。

圖 15  電機(jī)調(diào)速自動代碼生成控制算法模型頂層

同樣地，SCADA界面（正常情況下此時電機(jī)調(diào)速閉環(huán)已經(jīng)運(yùn)行起來了，如果控制異常，可以嘗試點(diǎn)擊Reset按鈕復(fù)位控制算法），在界面中，可通過LoadTorque和SpeedRefSet分別給定電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速參考值，查看模型的跟蹤效果。如下圖所展示的結(jié)果為轉(zhuǎn)矩給定100Nm時，電機(jī)參考轉(zhuǎn)速從2000rpm階躍到4000rpm控制過程。

圖 18  2000rpm時展開波形