1.  系統簡介

HX100新能源實時仿真和硬件在環平臺，主要為教學及科研設計的風電、光伏、儲能等電力電子及電機硬件在環仿真交鑰匙開發、測試及研究平臺。基于該平臺，用戶無需關注HIL平臺如何搭建、上位機軟件如何配置，節省了平臺搭建、軟件環境配置、框架模型構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、開發和驗證測試，可極大程度地方便教學及科研工作。

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

3. 系統功能

HX100新能源實時仿真和硬件在環平臺可方便地用于電力電子及電機等領域的科研或者教學工作。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的功能進行擴展。

科研領域主要可擴展功能可包括：

（1）新能源風、光、儲控制算法研究、開發及測試驗證。

（2）電機調速、電機控制算法研究、開發及測試驗證。

（3）多逆變器（HIL101仿真器最多3臺，HIL404仿真器最多4臺）協調控制策略研究、開發及測試驗證。

教學方面，該平臺具有靈活的擴展能力，可方便地支持電力電子及電機領域的各個教學實驗純數字仿真及HIL仿真，如：

（1）直流斬波電路實時仿真HIL實驗（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）逆變電源實時仿真HIL實驗

（3）單相交直交變頻電路實時仿真HIL實驗

（4）移相控制全橋零電壓開關PWM變換器實時仿真HIL實驗

（5）三相橋式半控整流實時仿真HIL實驗

（6）三相橋式全控整流及有源逆變電路實時仿真HIL實驗

（7）三相三電平特定諧波消除PWM調制實時仿真HIL實驗

（8）方波無刷直流電動機（BLDCM）調速系統實時仿真HIL實驗

（9）雙閉環三相異步電動機調壓調速系統實時仿真HIL實驗

（10）正弦脈寬調制（SPWM）變頻調速系統實時仿真HIL實驗

（11）空間電壓矢量脈寬調制（SVPWM）變頻調速系統實時仿真HIL實驗

（12）矢量變換控制與直接轉矩控制變頻調速系統實時仿真HIL實驗

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

4.1 并網逆變器雙閉環控制示例

采用典型的LC濾波逆變器拓撲，基于MATLAB自動代碼生成功能搭建實現了PQ外環和電流內環的雙閉環控制算法。

基于Typhoon HIL實時仿真軟件并網逆變器模型見下圖所示，主要包括等值電網、LC濾波器、并網斷路器、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：電網電壓設置以及信息觀測；

★ 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（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：模型啟動運行初始化事件，自動配置設置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行后，使用該控件功能進行并離網操作；

★ Pref：正常并網之后，設置功率參考值；

★ Qref：正常并網之后，設置無功參考值。

并網逆變器雙閉環控制自動代碼生成控制算法模型如下圖所示。

控制執行周期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數據讀取；

★ ArrangeADC子系統：獲取外擴16路16位ADC的數據，并進行重新排序；

★ ADCToReal子系統：將AD讀到的數據轉成模型中的實際值；

★ Ctrl子系統：雙閉環控制算法子系統，可根據需要修改；

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

★ 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行。

CHIL系統運行后，在SCADA可以方便觸發控制器運行、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據等等。

圖 11  SCADA界面設置有功及無功參考值

采用典型的永磁同步電機，基于MATLAB自動代碼生成功能搭建實現了轉速外環和電流內環的雙閉環電機調速控制算法。

基于Typhoon HIL實時仿真軟件電機調速模型見下圖所示，主要包括直流電源、調速變頻器、電流測量以及電機模塊。

電機調速模型配套的SCADA界面如下圖所示。

其中主要控件的功能如下：

★ Settings分組：轉矩、轉速設置以及IO初始化等；

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

★ Capture/Scope：高速示波器，顯示電壓電流、轉速等信息，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：模型啟動運行初始化事件，自動配置設置IO輸出；

★ LoadTorque：滑塊控件，設置電機參考轉矩（需要等電機穩定運行后）；

★ SpeedRefSet：滑塊控件，設置電機參考電磁轉速（需要等電機穩定運行后）；

★ Reset：按鈕控件，觸發HIL數字量7通道輸出，復位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，控制執行周期10kHz。整體結構與并網逆變器控制算法非常類似，主要的不同是eQEP2模塊用于實現電機位置脈沖檢測和轉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  電機調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調速閉環已經運行起來了，如果控制異常，可以嘗試點擊Reset按鈕復位控制算法），在界面中，可通過LoadTorque和SpeedRefSet分別給定電機的轉矩和轉速參考值，查看模型的跟蹤效果。如下圖所展示的結果為轉矩給定100Nm時，電機參考轉速從2000rpm階躍到4000rpm控制過程。

圖 18  2000rpm時展開波形