基于xPC Target和RTDS的12脉波整流的快速原型化控制系统

袁威，游菲，陈康博，肖忠云

(贵州大学电气工程学院，贵州贵阳550025)

摘要：以多重化整流电路原理和12脉波整流器原理，构建12脉波整流控制系统，以simulink为模型，利用Real-Time Workplace和xPC Target实现12脉波整流控制部分的快速原型化的半实物仿真，然后再利用RTDS(Real Time Digital Simulator)实现主电路的实时仿真，最后通过I/O实现整个系统的建立。通过实验验证了该控制系统的有效性并介绍了利用xPC和RTDS构建整个系统的过程。

关键词：xPC Target半实物仿真RTDS实时仿真MATLAB仿真12脉波整流

中图分类号：TM461文献标识码：A

作者简介：袁威(1990-)，男，四川省邛崃人，在校硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向：电能质量变换域功率变换技术。

收稿日期：2015-02-02

Control system of 12-pulse rectifiers based on xPC and RTDS

YUAN Wei, YOU Fei, CHEN Kangbo, XIAO Zhongyun

Abstract:A 12-pulse rectifier control system was built according to the principle of multiple rectifier circuit and 12-pulse rectifier. Based on simulink model, using xPC Target, semi-physical simulation of the rapid prototyping of 12-pulse rectifier control was achieved, and then the real-time simulation of the main circuit was carried out with RTDS. Lastly the whole system was built up through I/O. The experiment verifies the effect of the control system and the paper introduces the application of xPC and RTDS in detail.

Keywords:xPC Target semi-physical simulation; RTDS real-time simulation; MATLAB simulation；12- pulse rectifier

0引言

随着整流装置功率的进一步加大，它产生的谐波、无功功率等对电网的干扰也随之加大，采用多重化整流电路可有效克服该问题，同时减少了直流脉动。本文采用了移相串联二重联结方式实现12脉波整流电路如图1所示[1]。

图1　12脉波的联结电路

首先研究分析了12脉波整流原理，采用三绕组移相变压器接线方式实现移相使两组三相交流电源间相位错开30°；使用xPC Target搭建整流系统的控制部分；同时利用实时数字仿真器RTDS建立12脉波整流电路的主电路。并通过I/O口建立整个整流控制系统；实验结果表明12脉波整流控制系统的有效性和稳定性。

1整流器的原理

图2　接线矢量图

其变压器联结方式可参考如图1的整体联结电路，三绕组移相变压器原边接成星形，副边有两相绕组。其中一项接成星形另一项接成三角形，即变压器二次侧分别采用Yn和Yd11接法从而达到二次侧两组电压错开30°的目的，该联接方式二次侧的电压矢量图如图2所示[4]。

由向量图可知二次侧的两组电压相位错开30°，又由三绕组变压器的变比有：

(1)

图3　变压器二次侧两 组电压的相位差

最终在二次侧得出两组大小相等，相位差30°的电压如图3所示。

2整流系统模型的建立

2.1基于xPC Target的控制电路模型搭建

图4　xPC实时仿真系统的组成

目前存在多种优秀的仿真平台，可以实现实时仿真和半实物仿真，例如德国dSPACE公司进行开发的dSPACE实时仿真系统是一套基于MATLAB/Simulinkde，面向控制系统开发以及半实物仿真的软硬件综合工作平台。它实时性强并具有强大的计算能力，但开发成本大，从而限制了应用[5]。而本文采用MathWorks公司为其MATLAB/Simulink产品开发用于实时仿真的组建——Real-Time Workshop，简称RTW。它可以由Simulink图形化建模生成经过优化的，可移植的代码同时提供了实时视窗目标及xPC，xPC Target使用Host/Target结构，一台宿主机运行Simulink而目标PC机使用RTW提供的xPC Target专用实时操作内核，使其工作在双击模式，通过以太网网卡INTEL-I82559与宿主机通讯[3]。其结构图可参考图4。

图5　Ⅰ桥的触发脉冲

进而实现了半实物仿真控制系统设计软件MATLAB/ Simulink,与xPC的无缝衔接，它实时性强并具备进行半实物仿真的软硬件工作平台。通过该平台建立该系统的控制模型[6]，控制模型发出的脉冲如图5所示。

2.2基于RTDS的整流主电路模型搭建

RTDS全称是实时数字仿真仪(Real Time Digital

Simulator)，是一种实时全数字电磁暂态电力系统模拟装置，利用先进的软硬件，可以对电力电子领域系统进行实时精确的仿真，其建模周期短，结果直观。根据12脉波整流器主电路原理图，可在RTDS的软件平台RSCAD建立12脉波整流器主电路模型，并可通过RUNTIME窗口实时的观测数据。

同时2组整流桥采用串接方式，即桥Ⅰ和桥Ⅱ串接，然后给直流负载供电。

2.3整个系统的连接

通过以上，可知这个系统的控制部分和主电路部分分别独立的建立在xPC Target和RTDS中。因此需要以I/O硬件作为桥梁搭建整个系统，通过RTDS中的GTAO采集卡输出三绕组变压器一次侧的三相电压，然后xPC Target通过PCI-6221采集卡接受信号，模拟信号经过处理后获得脉冲数字信号经过PCI-6221输出，同时RTDS通过GTDI卡接受信号。整个系统搭建完毕如图6所示。

2.4仿真结果

将三相电压源的相电压设置为220 V，当a=0°仿真结果如图所示：由图7可知，该12脉波整流系统直流侧输出基本无脉动，又由图8知整流器一个周期输出的脉波为12，即12脉波整流系统输出满足要求，图8为三绕组变压器一次侧A相的电流，由电流谐波总畸变率公式：

(2)

图7　整流器直流侧电　　图8　直流侧一个周期的 　　　　压仿真波形　　　　　　　电压波形

图9　电网侧A相电流波形

其中Ih为网侧电流总谐波有效值，I1为网侧电流基波有效值。通过把整个系统在MATLAB/Simulink中仿真，通过谐波分析由图10可知电网侧的畸变率为2.1%，即满足国家的标准，证明了有效性[2]。同理当a=30°仿真波形如图11所示，从而充分证明了该系统的灵活性。

图10　电网侧电流的　　图11　直流侧一个周期 　　　　　谐波分析　　　　　　　的电压波形

3结束语

RTDS和xPC的实时仿真表明，利用xPC的快速原型技术实现了控制部分的实时控制，该方法具有成本低廉，可维护性和可扩展性等优点，并利用RTDS实现了主电路的实时仿真。其结果表明该系统能稳定运行，并可以调节a角度，灵活性强。由于12脉波整流电路电网侧电流谐波次数为12k 1次，而与6脉波整流系统相比，具有较低的网侧电流THD，输出直流电压脉动更小，与其他PWM整流装置相比具有开关损耗小、控制算法简短、容量大，稳定等优点。因此，12脉波整流可广泛用于高压直流输电中，在现代工业中前景广阔。

参考文献

[1]王兆安，刘进军. 电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2009：79-81

[2]朱屹,杨世彦,孟凡刚. 直流侧带PWM整流器的12脉波整流系统及其负载适应性[J].电工技术学报，2012，27(8)：85-90

[3]李洪敏.实时仿真系统研究[J].传感器与自动测控技术.兵工自动化,2002, 21(3): 56-57

[4]胡虔生， 胡敏强. 电机学[M]. 北京：电力出版社，2009：45-50

[5]毕效辉，王书，张琦. 基于MATLAB/xPC的快速原型技术应用[J]. 西南科技大学(控制系统)，2007，55(3)：1-2

[6]K. Mino, G. Gong, and J.W. Novel hybrid 12-pulse line interphase transformer boost-type rectifier with controlled output voltage[J]. KolarSwiss Federal Institute of Technology (ETH) Zurich，2004：2-4

游菲(1989-)，男，山东省泰安人，在校硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向：电能质量变换域功率变换技术

陈康博(1989-)，男，山东省青岛人，在校硕士研究生，电力电子与电力传动专业，研究方向：电力电子与电力传动控制技术。

肖忠云(1991-)，男，贵州省兴义人，在校硕士研究生，电气工程及其自动化专业，研究方向：电力系统运行与控制。