關于電力推進系統的實時仿真

汪 洋 周艷紅 姬 凱

（中船重工集團公司712 研究所，武漢 430064）

近年來，大功率電力電子技術在各個領域得到了日益廣泛的發展。在船舶推進方面，以逆變器為核心的高壓變頻調速技術的各種優勢，使大功率電力電子技術在艦船電力推進系統中，尤其是在交流推進系統中起到越來越重要的作用。

艦船推進系統作為船舶的動力系統對應用于其中的大功率電力電子裝置的高性能化和可靠性都有著極高的要求，但客觀情況不可能也不允許在設備投運前進行詳盡的現場試驗；另一方面，電力推進領域涉及多個學科，包含多種設備，構成復雜，不僅有高頻離散的電力電子裝置，還包括其他低頻連續的器件及設備，因此對于電力推進系統的系統仿真研究非常重要。本文就電力推進系統的仿真技術的發展及應用情況進行分析，并對電力推進系統的實時仿真技術進行初步研究，其中重點介紹電力電子裝置的實時仿真技術。

1 電力推進系統仿真的特點

由于電力推進系統中，既有連續的器件和裝置，如電阻、電感、變壓器、電機等，又采用了大量的大功率電力電子器件，如電機調速系統使用的變頻裝置，大功率電力電子裝置的高頻開關特性和離散連續混合的復雜變流拓撲結構，成為影響仿真的速度和精度的主要因素，因此電力推進系統仿真與低頻連續的傳統電力系統仿真不同，其對電力電子裝置的仿真成為主要的難點。本文將重點論述電力推進系統中高頻離散的電力電子裝置的仿真情況。

目前電力電子裝置的實時仿真包括原型物理樣機模擬、數?；旌蠈崟r仿真和全數字實時仿真等。

前兩種仿真模式必需具備原型的樣機平臺，然而在實際的大功率電力推進系統開發設計中，各種新技術的應用及復雜的結構使得樣機平臺的建立需要耗費大量的時間和人力，各個組成部分的原型模型都需要進行相關技術的研究和驗證，另一方面，對于系統的綜合特性的研究也必須同步展開，這就要求在原型物理樣機尚不具備的情況下，能夠對電力推進系統進行系統仿真，同時根據研究的進度對仿真時間提出了要求。目前，離線仿真雖然精度高，收斂性好，但對于復雜系統仿真，速度慢已經成為其致命的弱點，因此相關的研究人員將目光投向了實時仿真軟件。

2 電力推進系統實時仿真軟件平臺

目前，在電力驅動系統的調試中，經常使用的仿真系統多為離線的，雖然仿真成本較低，但仿真速度慢，并且仿真的效果取決于所建模型的質量。而使用實物進行實驗則受硬件設備及環境等因素的影響。成本過高，并且不容易模擬一些極限工況，所以應用也受到一定限制。另一方面，由于電力電子產品競爭激烈，產品開發時間需要縮短，往往采用并行設計開發的策略，控制器與被控設備同時進行研制，這就存在驗證和測試的問題，是離線仿真解決不了的。

而把實物系統放置在計算機仿真環節中進行仿真研究就可以解決上述問題，并能很好地綜合以上兩種方法的優點，也就是采用實時仿真系統。比如將實際逆變器—電機—傳感器代之以其實時模型，與實際控制器構成閉環測試系統。由于該實時仿真系統回路中具有實際控制計算機及接口硬件，因而被稱為硬件在回路仿真（Hardware-in-the -loop Simulation）測試，簡稱HIL。與HIL不同的另一種實時仿真系統是快速控制原形（Rapid Control Prototyping），簡稱RCP。RCP采用控制器實時模型與實際電機系統構成閉環控制回路，以實現控制系統的快速生成。

目前國內已有多家高校及科研院所開展了電力系統的實時仿真研究，涉及電力傳動的實時仿真卻并不是很多，而且也是近兩年才逐漸發展起來，針對含有電力電子裝置的電力推進系統全數字實時仿真更是寥寥無幾。

在公開發表的文獻當中，電力傳動領域的實時仿真多采用的是dSPACE實時仿真系統作為仿真平臺，以下就對該系統進行簡單評述。

2.1 dSPACE實時仿真系統

dSPACE實時系統是由德國dSPACE公司開發的一套基于Matlab/Simulink的控制系統開發及測試平臺，它實現了和Matlab/Simulink的完全無縫連接，可直接將使用Matlab/ Simulink / Sateflow搭建的算法模型生成為可以實時運行的代碼，并下載到其專屬硬件平臺上執行。然后模型代碼在dSPACE硬件平臺上執行時，可以通過平臺所具有的各種類型的物理接口（模擬 I/O，數字 I/O，ARINC429，MilStd1553B和RS422等），將產生的控制信號直接發給電力推進模擬模擬系統中的執行機構。同時，模型代碼也可以通過dSPACE硬件接口接收系統中反饋傳感器的電信號為控制算法中閉環控制/監控部分提供計算數據。另外，dSPACE系統還提供了專用的運行監控和在線調參圖形界面，可以作為試驗過程中的操縱控制臺使用，以模擬真實的工作形態。

圖1 dSPACE系統開發流程

dSPACE的優越性在控制算法的研究與驗證方面表現的淋漓盡致，并且已經在汽車、航空航天及國內眾多大學和科研院所得到廣泛的應用。但到目前為止，在電力傳動領域，對于電力電子裝置的實時仿真還僅限于快速控制原型（RCP）方面，針對電力電子裝置的高頻特性，尚未出現dSPACE在實時計算機上對其進行建模及仿真的相關報道。

2.2 RT-LAB實時仿真器

RT-LAB實時仿真系統是加拿大Opal-RT 公司開發的一套基于模型仿真的實時軟硬件平臺。它的用戶界面友好，仿真精度高，擴展性好，而且有開放的開發接口。RT-LAB可以讓設計者將基于Matlab/Simulink圖形化建模工具所搭建的數學模型，在多處理器實時仿真平臺上運行，從而方便的實現復雜仿真、快速原型，以及硬件在回路中的試驗工作。RT-LAB系統開發流程如圖2所示。

圖2 RT-LAB系統開發流程

用戶在上位機上運行建模軟件并創建數學模型，然后把數學模型下載到多處理器實時仿真平臺上，運行RT-Lab并進行處理。另一方面，RT-LAB可以把復雜的模型劃分成多個可以并行執行的子任務，再把這些子任務分配到網絡中的多個目標機節點上，或者分配到一臺SMP對稱多處理目標機系統的多個處理器上，從而構成一個可伸縮的分布式并行實時仿真系統。

針對現代艦船廣泛應用的電力驅動方面的仿真應用的特點，RT-LAB 還具有獨有的應用層開發工具箱RT-EVENTS 和模型實時解算器ARTEMIS，解決了電力驅動系統實時仿真所遇到的精度和運算速度的不能統一的問題。

圖3 電力電子系統仿真器

在系統的仿真中，RT-LAB 附帶的RT-EVENTS工具箱發揮了很大的作用?？刂破靼l出的 PWM控制脈沖由RT-LAB 仿真目標機上安裝的FPGA卡精確計數其每一個脈沖的起始時刻和持續時間都被記錄下來。在模型計算中，這些時間信息傳遞到RT-EVENTS 的模塊中進行插值步長。這很好的解決了定步長仿真運算時對由外界脈沖等事件與系統采樣時刻不同步所造成的誤差問題。通過 RT-LAB實時仿真器的軟硬件解決方案，在精度和運算速度上都保證了模型的實時運算，對控制算法的設計提供了很好的依據和參考。

3 實時仿真技術

3.1 RT-LAB與PSB的兼容性

電力系統離線仿真常采用Matlab/PSB工具包，PSB含有大量電力系統中的通用模型，可對復雜的電力系統進行變步長仿真，精度高，且界面友好，有較強的分析功能，在電力系統仿真中應用廣泛，但對于大型電力推進系統仿真，其計算速度慢。

RT-LAB提供的 ARTEMIS工具包通過改進算法，將SimPowerSystems具有的變步長的仿真精度和定步長的實時性能兩者優勢結合起來。ARTEMIS通過在運行仿真模型前預先計算出開關電路中每個開關改變狀態的拓撲矩陣，達到加速電力系統模型運算，實現實時仿真的目的。因此，可以方便用戶使用SimPowerSystems庫中成熟的電力系統模塊，并將其快速地轉換成為實時模型。

3.2 自建模型

用戶對實際電力推進系統建模時，經常會根據需求建立特殊的設備模型，這些模型往往在仿真軟件的通用模型庫中沒有被包含，需要自己建立，也就是模型的二次開發，這在實時仿真系統中也不例外。

基于Matlab軟件，自建模型方法通常有兩種方式：一種是利用Simulink中的模塊來搭建，該方法思路清晰、簡單，但是要調用較多的模塊，同時連線也較繁瑣，出錯時不易發現，且仿真速度較慢；另一種方法是利用s函數模塊建模，s函數可以用M語言和C語言編寫，M文件形式的s函數具有容易編寫的優點 。但由于它在每個仿真步都要激活Matlab解釋器，使得仿真速度變慢，而使用C語言編寫的s函數，就可以避免這些不足，這正是整個Simulink動態系統的核心，同時也是使用 RTW 實現實時仿真的關鍵所在。因此，本文的自建模型采用C語言編寫的s函數來實現，并且要根據仿真的目的，適當簡化模型，使仿真計算過程中能在計算步長內對計算方程進行更新，保證計算的實時性。

4 仿真實例對比

4.1 RT-LAB實時仿真時間對比

仿真模型采用帶有12脈動晶閘管整流橋的3電平永磁電機調速系統作為試驗對象，對同一模型在離線仿真及實時仿真情況下所花費的時間進行對比。

圖4 3電平永磁電機仿真模型

1）模型步長設為 25μs，仿真時間設為 300s。試驗結果如下：

表1

2）模型步長設為1μs，仿真時間設為300s。試驗結果如下：

表2

由此可見，實時仿真系統在進行電力傳動系統的仿真上充分體現了其速度快的優越性。

4.2 3相異步機調速系統自建模型離線仿真

圖 5所示模型是在 Matlab附帶的 demo文件（power_acdrive.mdl）的基礎上增加了自建 3相異步電機模塊（abc_3ph），通過離線仿真驗證自建模型的準確性。

圖5 3相異步電動機矢量控制仿真模型

這個模型完成的是3相異步電動機矢量控制系統仿真，其中含有3相逆變器和矢量控制系統，仿真時間3s。

圖6 Matalb自帶模型庫中電機模塊輸出波形

圖7 自建電機模塊輸出波形

由圖6和圖7的對比可以看出，自建模型不僅可以與PSB庫中模塊連接運行，并且可以達到相等的仿真結果，其中，兩種電機模型采用同樣的輸入電源信號，仿真步長采用10μs定步長，仿真誤差在可接受的范圍內。

4.3 3相異步電機調速系統模型實時仿真

將3.2中的模型轉化為基于RT-LAB實時仿真平臺的模型（其中電機采用自建模型）進行實時仿真?？驁D如圖8所示。

圖8 RT-LAB實時仿真模型

圖9 SS_Main子模塊內部結構

圖10 SM_control子模塊內部結構

圖11 SC_view子模塊內部結構

圖12 RT－LAB實時仿真輸出波形

由圖12可以看出，在達到滿足實時仿真步長的情況下，實時仿真系統可以達到需要的仿真精度。

5 結論

本文通過對目前電力電子仿真手段及仿真軟件的分析，得出以下結論：

1）針對大功率的電力推進系統仿真，必須將其各個設備的特性都能夠進行描述，其中即包括高頻離散的電力電子開關元件和設備，也包括低頻連續的電磁設備等等，因此必須綜合起來考慮仿真平臺的選擇。

2）由于大功率的電力推進系統的結構日趨復雜，離線仿真速度慢成為研制和開發的瓶頸，已經很難適應縮短項目開發周期的要求，需要考慮用更有效的手段提高仿真效率，如實時仿真。

3）現有的仿真軟件中，RT－LAB可以進行電力傳動系統的全數字仿真，且速度快，精度高，可以成為電力推進系統設計中的一項工具進行運用，但對大型系統而言，仿真的速度及精度還受到仿真器所使用的處理器的頻率、數目、通訊以及其他硬件板卡的限制，實時性有待提高。另外，RT—LAB的半實物仿真成為下一步尚待開展的工作。

[1] 宋強,劉鐘淇,張洪濤,劉文華.大功率電力電子裝置實時仿真的研究進展[J].系統仿真學報,2006(12).

[2] 羅建民.何正文/電力系統實時仿真技術的研究[J].電氣時代,2006(9).

[3] 潘學萍.電力系統數字仿真研究綜述[J].江蘇電機工程,2005(1).

[4] 夏鵑,周治平,紀志成.基于 dSPACE電氣傳動控制系統的在線仿真[J].微特電機,2004(5).