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半实物仿真概念

随着电力电子装置在生活中的大量应用,如新能源发电、柔性直流输电、电机驱动、电气化交通等,相关从业人员需要研究的电力电子系统功率不断增加、系统复杂程度不断提高,仿真工具在辅助系统研究、装置开发和产品测试这一系列过程中得到了广泛且深入的应用。

 

但在接触仿真工具的时候,由于相关产品大都来自国外,大家对各种电力电子仿真工具相关概念和术语往往分不清楚。为了解答大家的困惑,小编特意邀请我司资深工程师,从电力与电力电子系统的专业技术和行业现状的角度为你解惑。


1.直接测试——实物系统测试



在电力与电力电子系统的研究中,传统的方式是会等待控制器完成设计后,集成到实物的硬件测试平台中去进行验证和测试。这种方式的主要特点是能够直接观察到各种现象的物理过程,便于获得明确的测试数据,缺点是平台的搭建对于场地、资金、时间和人力的投入比较高。

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2.数字仿真测试



随着计算技术的飞速发展,基于计算机的数字仿真技术由于其灵活性和多样性的优势得到广泛的应用。数字仿真主要是利用数学建模和计算的方式,将系统中对象的运行特性模拟出来,其核心是数学建模与计算。根据仿真计算和运行的速率,数字仿真技术又分为离线仿真(非实时)和实时仿真两种。


2.1     离线仿真

离线仿真即数字仿真模型响应速度比实际系统的响应速度慢,也就是观测模型运行1s左右的运行状态,需要仿真计算的时间往往远超过1s。离线仿真软件一般运行在普通的电脑上,其仿真运行需要的时间远超实际系统的原因,一方面是普通计算机本身的操作系统以及硬件能力上的不足,另一方面是在建模和计算时没有基于实时运行进行优化,因此导致时间确定性比较差。在电力与电力电子系统领域中,我们常用的仿真软件,如PSCAD/EMTDC、MATLAB/Simulink等都属于非实时数字仿真。


2.2     实时仿真

实时仿真即数字仿真模型响应速度与实际系统的响应速度相同,即模型仿真运行1s对应实际时间的1s。由于电力与电力电子系统模型的计算量非常大,所以往往需要借助运算能力强大的多核CPU或者FPGA硬件来进行运算,再对实时仿真建模和计算进行一些等效与优化,才让实时的系统仿真得以实现。因此,在实时仿真系统中,仿真器是一个重要的组成部分,实时仿真系统的仿真规模和计算能力决定于仿真器硬件资源的多少。

在数字仿真中,由于系统一般可以拆解为控制侧与被控的对象侧,由于不同的课题研究的重点不同,使用实时化的技术作用系统的部分会不一样,也就衍生出了半实物仿真、硬件在环、快速控制原型、HIL、RCP这些概念。

 

3.半实物仿真/硬件在环/HIL



硬件在环仿真的英文名是Hardware-In-the-Loop,也被称为HIL,是用实时仿真器同控制器构成闭环测试系统的应用,如下图所示:

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实时仿真器是通过实时运行物理对象的数学模型来模拟他们的行为,同时实时仿真器带有IO板卡,通过IO通道和控制器交互信息。硬件在环仿真中的“硬件”是指控制部分已经不是纯软件仿真中的一些控制框图,而是一个真实的控制器。在很多中文的文献中,也常常把硬件在环仿真称为,“半实物仿真”,这里的“实物”是指系统中真实控制器,因为这个系统中的实时仿真器不是实际物理设备,因此称整体系统为“半实物”。


4.快速控制原型/RCP



快速控制原型的英文名是Rapid Control Prototyping,所以也被成为RCP,是指在运算功能强大、带有IO接口的原型硬件上调试与校准控制算法的过程,如下图所示:

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快速控制原型平台提供了快速方便的方法来导入控制算法,它主要的价值是可以直接运行一些高级图形化环境(如Simulink)搭建的控制算法,提供现成验证过的控制硬件,可以缩短开发周期。


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