CN106712534B - 高压级联变频器半实物仿真系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种高压级联变频器半实物仿真系统。所述系统包括：第一处理板、第二处理板、第三处理板、第四处理板、I/O板以及实物控制器，实物控制器与I/O板相连，用于输出控制信号，并将输出的控制信号通过I/O板提供给第一处理板、第二处理板、第三处理板和第四处理板；第一处理板、第二处理板、第三处理板、第四处理板用于根据实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生输出信号，将输出信号提供给与其相连的其它处理板，还将输出信号通过I/O板提供给实物控制器，以供实物控制器对输出信号进行验证。本发明的高压级联变频器半实物仿真系统能够缩短实时化系统的运行时间，达到实际控制器测试需要。

Description

高压级联变频器半实物仿真系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种高压级联变频器半实物仿真系统。

背景技术

电力电子技术可以实现电能的变换和控制，已广泛应用于工业、交通、国防等国民经济的各个领域，随着国家节能减排政策的深入，电力电子技术在我国各行各业的应用将会更加的普及和广泛。由于电力电子系统是一个复杂的非线性系统，设计和分析的难度较大，通常需要较长的设计开发过程，并要进行大量的实验研究。

仿真技术随着计算机的发展而不断向前发展，由此衍生出的计算机仿真技术以其良好的可重复性和安全性广泛的应用于实验研究。半实物仿真主要是将控制对象分为两种：一种为实际的控制器，一种为虚拟的仿真对象，两者通过输入输出接口进行数据交互和通信，可实现对控制器软硬件性能的全方位测试，该方式省时省力，大大节约了产品的开发周期以及实验真实环境的硬件成本。

高压级联变频器作为电力电子系统在工业中的应用，也需要进行半实物仿真，也就需要构建半实物仿真系统。现有传统的半实物仿真系统在一般模型实时化方法的基础上，对整个高压级联变频器进行主电路模拟，一般采用串行处理机制，通常包括设置于处理板上的高压级联变频器主电路、输入输出板卡和实物控制器，其工作时，设置于处理板上的高压级联变频器主电路通过输入输出板卡读入实物控制器的控制信号，根据仿真模型计算得到输出信号，将输出信号通过输入输出板卡发送给实物控制器，从而进行硬件在回路的闭环验证。但是现有的半实物仿真系统具有以下缺点:(1).现有仿真系统采用串行处理机制，需要顺序的执行变频器工作原理中描述的事情，能够处理一般的半实物仿真系统仿真模型，对于高压级联变频器这种复杂多重系统没有有效的解决方法；(2).现有仿真系统经实时化后的系统即使能够运行，运行步长仍无法满足实际控制及测试需要；(3).现有半实物仿真系统需要对仿真系统具有较为深厚的理论基础，开发难度较大；(4).现有半实物仿真系统精度较低，单一运算的处理能力有限，无法进行多任务同步处理，也就无法准确的验证实物控制器。

发明内容

本发明提供一种高压级联变频器半实物仿真系统，能够缩短实时化系统的运行时间，达到实际控制器测试需要。

所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种高压级联变频器半实物仿真系统，其包括第一处理板、第二处理板、第三处理板、第四处理板、I/O板、以及实物控制器，其中，所述实物控制器，与所述I/O板相连，用于输出控制信号，并将输出的控制信号通过所述I/O板提供给所述第一处理板、第二处理板、第三处理板和第四处理板；所述第一处理板，与所述第二处理板、所述第四处理板相连，用于根据所述实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第一输出信号，将所述第一输出信号提供给所述第二处理板、第四处理板，还将所述第一输出信号通过所述I/O板提供给所述实物控制器，以供所述实物控制器对所述第一输出信号进行验证；所述第二处理板，与所述第一处理板、第三处理板、第四处理板相连，用于根据所述实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第二输出信号，将所述第二输出信号提供给所述第一处理板、第三处理板、第四处理板，还将所述第二输出信号通过所述I/O板提供给所述实物控制器，以供所述实物控制器对所述第二输出信号进行验证；所述第三处理板，与所述第二处理板、第四处理板相连，用于根据所述实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第三输出信号，将所述第三输出信号提供给所述第二处理板、第四处理板，还将所述第三输出信号通过所述I/O板提供给所述实物控制器，以供所述实物控制器对所述第三输出信号进行验证；所述第四处理板，与所述第一处理板、第二处理板、第三处理板相连，用于根据所述实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第四输出信号，将所述第四输出信号提供给所述第一处理板、第二处理板、第三处理板，还将所述第四输出信号通过所述I/O板提供给所述实物控制器，以供所述实物控制器对输出信号进行验证。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

通过实物控制器输出控制信号，并将输出的控制信号通过I/O板提供给第一处理板、第二处理板、第三处理板和第四处理板；第一处理板、第二处理板、第三处理板、第四处理板用于根据实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生输出信号，将输出信号提供给与其相连的其它处理板，还将输出信号通过I/O板提供给实物控制器，以供实物控制器对输出信号进行验证。该高压级联变频器半实物仿真系统采用多处理板并行处理，能够将复杂系统进行细分为多个部分(例如四个部分)，各个部分耦合关系紧密，电气信号的衔接合理，各个部分之间同时并行运算处理；各个处理板通过I/O板与实物控制器进行数据传输和通信，加快与外界数据交互，并且并行快速处理机制大大缩短实时化系统的运行时间，从而达到实际控制器测试需要；用户可以方便的采用模块库快速完成整体方案设计，无需对内部有过多深入掌握，大大缩短模型开发周期，以满足系统需求多样化的要求，并且整体的仿真步长可以满足实际控制器需要，实时仿真的精度高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明第一实施例提供的高压级联变频器半实物仿真系统的主要架构框图；

图2是本发明第二实施例提供的高压级联变频器半实物仿真系统的主要架构框图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的高压级联变频器半实物仿真系统其具体实施方式、结构、特征及功效，详细说明如后。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合参考图式的较佳实施例详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制。

第一实施例

图1是本发明第一实施例提供的高压级联变频器半实物仿真系统的主要架构框图。所述高压级联变频器半实物仿真系统能够将复杂系统进行细分为四个部分，各个部分耦合关系紧密，电气信号的衔接合理，各个部分之间同时并行运算处理，大大缩短实时化系统的运行时间，从而达到实际控制器测试需要，请参阅图1，所述高压级联变频器半实物仿真系统包括第一处理板(例如第一CPU板101)、第二处理板(例如第二CPU板102)、第三处理板(例如第三CPU板103)、第四处理板(例如第四CPU板104)、I/O板106、以及实物控制器107。

其中，实物控制器107，与所述I/O板106相连，用于输出控制信号，并将输出的控制信号通过I/O板106提供给第一处理板、第二处理板、第三处理板和第四处理板。优选地，实物控制器107可以根据控制台(例如电脑、上位机等)指令完成对高压级联变频器主电路中部件(例如整流器、逆变器、电励磁同步电机)的启停，加减速等实时控制，同时还可以具备完整的故障保护功能、模块级的故障自诊断功能和轻微故障的自复位功能。其中，控制信号可以包括控制命令、电平信号、脉冲信号等。

第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103、第四CPU板104用于模拟虚拟被控对象，在此需要模拟的虚拟被控对象是高压级联变频器的主电路，可以通过建立主电路的仿真模型并编程实现，再运行于四个CPU板中，即可以达到模拟虚拟被控对象的目的。其中，仿真模型主要是控制主电路完成一些运算以实现仿真控制功能的模型。第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103、第四CPU板104用于根据实物控制器107输出的控制信号工作，并产生输出信号，将输出信号提供给与其相连的其它CPU板，还将输出信号通过I/O板106提供给实物控制器107，实物控制器107可以对输出信号进行验证是否正常，其中，输出信号例如可以为电流、电压等信号。具体地，第一CPU板101与第二CPU板102、第四CPU板104相连，用于根据实物控制器107输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第一输出信号，将第一输出信号提供给第二CPU板102、第四CPU板104，还将第一输出信号通过I/O板106提供给实物控制器107，以供实物控制器107对第一输出信号进行验证。第二CPU板102，与第一CPU板101、第三CPU板103、第四CPU板104相连，用于根据实物控制器107输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第二输出信号，将第二输出信号提供给第一CPU板101、第三CPU板103、第四CPU板104，还将第二输出信号通过I/O板106提供给实物控制器107，以供实物控制器107对第二输出信号进行验证。第三CPU板103，与第二CPU板102、第四CPU板104相连，用于根据实物控制器107输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第三输出信号，将第三输出信号提供给第二CPU板102、第四CPU板104，还将第三输出信号通过I/O板106提供给实物控制器107，以供实物控制器107对第三输出信号进行验证。第四CPU板104，与第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103相连，用于根据实物控制器107输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第四输出信号，将第四输出信号提供给第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103，还将第四输出信号通过I/O板106提供给实物控制器107，以供实物控制器107对第四输出信号进行验证。

I/O板106用于将虚拟被控对象(即第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103、第四CPU板104模拟的高压级联变频器的主电路)的输出信号转换为电气信号后提供给实物控制器107，同时将实物控制器107输出的控制信号进行转换后提供给虚拟被控对象。

更具体地，第一CPU板101，与第二CPU板102、第四CPU板104相连，其包括依次串联连接的第一整流器1010、第一支撑电容1013、第一斩波回路1012。第一整流器1010还与第二CPU板102相连，用于将第二CPU板102上设置的移向变压器变换后的交流电源变换为直流电源。第一斩波回路1012通常由斩波开关管和制动电阻组成，用于抑制直流电源电压过高。当直流电源电压过高时，开通斩波管，使能量消耗到制动电阻上，以降低直流电源电压。第一支撑电容1013还与第四CPU板104相连，其一般为电容，第一支撑电容1013构成直流滤波回路，用于滤除直流回路中的电压高频分量，以在各种工况下维持直流电压恒定。

第二CPU板102，与第一CPU板101、第三CPU板103、第四CPU板104相连，其包括依次串联连接的交流电源(例如由10kV交流电网提供的)1021、高压电气箱1022、移向变压器1023、第二整流器1025、第二支撑电容1027、第二斩波回路1026。10kV交流电网1021一般为三相交流电压源模型，作为高压级联变频器半实物仿真系统的电源。高压电气箱1022包括充电电阻、短路开关等，用于模拟现场工况，例如模拟交流电源对直流电压的充电过程等。移向变压器1023还与第二CPU板102、第三CPU板103相连，其一般为1：N的多抽头变压器，多个抽头变压器用于分别完成对交流电源的相位偏移，并进行抑制变压器原边电流谐波和进行电压匹配转换，例如转换为与第一整流器1010及第三整流器1031相匹配的输入电压。第二整流器1025用于将第二CPU板102上设置的移向变压器变换后的交流电源变换为直流电源。第二斩波回路1026通常由斩波开关管和制动电阻组成，用于抑制直流电源电压过高。当直流电源电压过高时，开通斩波管，使能量消耗到制动电阻上，以降低直流电源电压。第二支撑电容1027还与第四CPU板104相连，其一般为电容，第二支撑电容1027构成直流滤波回路，用于滤除直流回路中的电压高频分量，以在各种工况下维持直流电压恒定。

第三CPU板103，与第二CPU板102、第四CPU板104相连，其包括依次串联连接的第三整流器1031、第三支撑电容1033、第三斩波回路1032。第三整流器1031还与第二CPU板102相连，其用于将第二CPU板102上设置的移向变压器1023变换后的交流电源变换为直流电源。第三斩波回路1032通常由斩波开关管和制动电阻组成，用于抑制直流电源电压过高。当直流电源电压过高时，开通斩波管，使能量消耗到制动电阻上，以降低直流电源电压。第三支撑电容1033还与第四CPU板104相连，其一般为电容，第三支撑电容1033构成直流滤波回路，用于滤除直流回路中的电压高频分量，以在各种工况下维持直流电压恒定。

第四CPU板104，与第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103相连，其包括依次串联连接的逆变器1041、电励磁同步电机1043、负载模型1045。逆变器1041还与第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103相连，其用于将直流电转换为交流电。电励磁同步电机1043主要包括由三相可控晶闸管整流电路组成的励磁环节和电励磁同步电机，用于将交流电电能转换为机械能。负载模型1045用于模拟电励磁同步电机1043的负载变化。

本发明实施例中，从考虑实际系统的各个部分的耦合紧密关系，合理处理电气信号的衔接角度出发，按照功能将三相整流进行分解，分解到三个处理板(例如第一至第三处理板)中，逆变环节部分专门置于一个处理板(例如第四处理板)中，能够将多重复杂系统进行拆分，并且采用多个处理板并行处理，加快整体计算运行速度，从而提高整体系统的快速性，满足实际控制器实时控制需要。

综上所述，本发明实施例提供的高压级联变频器半实物仿真系统通过实物控制器输出控制信号，并将输出的控制信号通过I/O板提供给第一处理板、第二处理板、第三处理板和第四处理板；第一处理板、第二处理板、第三处理板、第四处理板用于根据实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生输出信号，将输出信号提供给与其相连的其它处理板，还将输出信号通过I/O板提供给实物控制器，以供实物控制器对输出信号进行验证。该高压级联变频器半实物仿真系统采用多处理板并行处理，能够将复杂系统进行细分为多个部分(例如四个部分)，各个部分耦合关系紧密，电气信号的衔接合理，各个部分之间同时并行运算处理；各个处理板通过I/O板与实物控制器进行数据传输和通信，加快与外界数据交互，并且并行快速处理机制大大缩短实时化系统的运行时间，从而达到实际控制器测试需要；用户可以方便的采用模块库快速完成整体方案设计，无需对内部有过多深入掌握，大大缩短模型开发周期，以满足系统需求多样化的要求，并且整体的仿真步长可以满足实际控制器需要，实时仿真的精度高。

第二实施例

图2是本发明第二实施例提供的高压级联变频器半实物仿真系统的主要架构框图。本实施例与图1的不同之处在于：所述高压级联变频器半实物仿真系统还可以包括：控制板201。

其中，控制板201，与第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103、第四CPU板104、I/O板106相连，其用于将第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103、第四CPU板104分别产生的第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号、第四输出信号进行编译后提供给I/O板106。其中，所述控制板可以为FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)板。编译可以为进行信号类型的变换以建立起I/O板和各CPU板之间进行通信的桥梁，如此可以加快信号交互速度。

综上所述，本发明实施例提供的高压级联变频器半实物仿真系统还通过控制板201将第一CPU板101、第二CPU板102、第三CPU板103、第四CPU板104分别产生的第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号、第四输出信号进行编译后提供给I/O板106，从而各个处理板通过控制板、I/O板与实物控制器进行数据传输和通信，加快与外界数据交互，从而达到实际控制器测试需要。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种高压级联变频器半实物仿真系统，其特征在于，其包括：第一处理板、第二处理板、第三处理板、第四处理板、I/O板、以及实物控制器，其中，

所述实物控制器，与所述I/O板相连，用于输出控制信号，并将输出的控制信号通过所述I/O板提供给所述第一处理板、第二处理板、第三处理板和第四处理板；

所述第一处理板包括第一整流器、第一支撑电容和第一斩波回路，所述第一整流器与所述第二处理板的移向变压器相连，所述第一支撑电容与所述第四处理板的逆变器相连，所述第一处理板用于根据所述实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第一输出信号，将所述第一输出信号提供给所述第二处理板、第四处理板，还将所述第一输出信号通过所述I/O板提供给所述实物控制器，以供所述实物控制器对所述第一输出信号进行验证，其中，所述第一整流器用于将所述第二处理板变换后的交流电源变换为直流电源；所述第一斩波回路用于抑制直流电源电压过高；所述第一支撑电容构成直流滤波回路，用于滤除直流回路中的电压高频分量；

所述第二处理板，与所述第一处理板、第三处理板、第四处理板相连，用于根据所述实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第二输出信号，将所述第二输出信号提供给所述第一处理板、第三处理板、第四处理板，还将所述第二输出信号通过所述I/O板提供给所述实物控制器，以供所述实物控制器对所述第二输出信号进行验证；

所述第三处理板，与所述第二处理板、第四处理板相连，用于根据所述实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第三输出信号，将所述第三输出信号提供给所述第二处理板、第四处理板，还将所述第三输出信号通过所述I/O板提供给所述实物控制器，以供所述实物控制器对所述第三输出信号进行验证；

所述第四处理板，与所述第一处理板、第二处理板、第三处理板相连，用于根据所述实物控制器输出的控制信号工作，并根据预先建立的仿真模型产生第四输出信号，将所述第四输出信号提供给所述第一处理板、第二处理板、第三处理板，还将所述第四输出信号通过所述I/O板提供给所述实物控制器，以供所述实物控制器对输出信号进行验证。

2.根据权利要求1所述的高压级联变频器半实物仿真系统，其特征在于，所述第一处理板、第二处理板、第三处理板、第四处理板均为CPU板。

3.根据权利要求1所述的高压级联变频器半实物仿真系统，其特征在于，所述第一处理板的所述第一斩波回路由斩波开关管和制动电阻组成。

4.根据权利要求1所述的高压级联变频器半实物仿真系统，其特征在于，所述第二处理板包括依次串联连接的交流电源、高压电气箱、移向变压器、第二整流器、第二支撑电容、第二斩波回路，所述交流电源为三相交流电压源模型；所述高压电气箱用于模拟现场工况；所述移向变压器还与所述第二处理板、第三处理板相连，用于完成对交流电源的相位偏移，并进行抑制变压器原边电流谐波和进行电压匹配转换；所述第二整流器用于将所述第二处理板变换后的交流电源变换为直流电源；所述第二斩波回路由斩波开关管和制动电阻组成，用于抑制直流电源电压过高；所述第二支撑电容还与所述第四处理板相连，所述第二支撑电容构成直流滤波回路，用于滤除直流回路中的电压高频分量。

5.根据权利要求4所述的高压级联变频器半实物仿真系统，其特征在于，所述交流电源为10KV交流电网提供的。

6.根据权利要求1所述的高压级联变频器半实物仿真系统，其特征在于，所述第三处理板包括依次串联连接的第三整流器、第三支撑电容、第三斩波回路，所述第三整流器还与所述第二处理板相连，其用于将所述第二处理板变换后的交流电源变换为直流电源；所述第三斩波回路由斩波开关管和制动电阻组成，用于抑制直流电源电压过高；所述第三支撑电容还与所述第四处理板相连，所述第三支撑电容构成直流滤波回路，用于滤除直流回路中的电压高频分量。

7.根据权利要求1所述的高压级联变频器半实物仿真系统，其特征在于，所述第四处理板包括依次串联连接的逆变器、电励磁同步电机、负载模型，所述逆变器还与所述第一处理板、第二处理板和第三处理板相连，其用于将直流电转换为交流电；所述电励磁同步电机用于将交流电电能转换为机械能；所述负载模型用于模拟所述电励磁同步电机的负载变化。

8.根据权利要求1所述的高压级联变频器半实物仿真系统，其特征在于，所述高压级联变频器半实物仿真系统还包括控制板，所述控制板与所述第一处理板、第二处理板、第三处理板、第四处理板、I/O板相连，所述控制板用于将所述第一处理板、第二处理板、第三处理板、第四处理板分别产生的第一输出信号、第二输出信号、第三输出信号、第四输出信号进行编译后提供给所述I/O板。

9.根据权利要求8所述的高压级联变频器半实物仿真系统，其特征在于，所述控制板为FPGA板。