2半實物實時仿真關(guān)鍵技術(shù)

2.1實時仿真平臺

(1)dSPACE[4]

dSPACE實時仿真系統(tǒng)是德國dSPACE公司開發(fā)的控制系統(tǒng)開發(fā)及測試工作平臺，其實現(xiàn)了與Matlab/Simulink的無縫連接。dSPACE在半實物仿真中的應(yīng)用非常多，尤其在汽車行業(yè)應(yīng)用最為廣泛。它屬于專用系統(tǒng)，硬件板卡都由dSPACE公司自行開發(fā)，處理器板具有高速的計算能力，同時具備豐富的I/O板，用戶可以根據(jù)需要進行組合實現(xiàn)多種領(lǐng)域的半實物仿真。dSPACE實時仿真系統(tǒng)的優(yōu)點是實時性強、可靠性高，但由于是專用系統(tǒng)，硬件設(shè)備相對昂貴。

(2)RT-LAB[5]

RT-LAB是加拿大Opal-RT公司開發(fā)的實時仿真平臺，它同樣實現(xiàn)了與Matlab/Simulink的無縫連接。RT-LAB專門針對電力電子系統(tǒng)實時仿真開發(fā)了Artemis實時解算算法以及RT-Events等工具箱，在電力電子系統(tǒng)實時仿真領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。RT-LAB最大的特點是其開放性和可擴展性，它可以兼容標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)I/O板卡和PC處理器，從而使得其硬件成本較低，可擴展性強。

(3)RTDS

RTDS實時仿真平臺由加拿大曼尼托巴研究中心開發(fā)，專門為研究電力系統(tǒng)中電磁暫態(tài)現(xiàn)象而設(shè)計，在電力系統(tǒng)實時仿真領(lǐng)域的應(yīng)用最為成熟和廣泛。RTDS系統(tǒng)具備高計算能力的處理器板和豐富的I/O板卡，同時具有較完備的電力系統(tǒng)元件和控制系統(tǒng)元件模型庫。RTDS系統(tǒng)為電力系統(tǒng)實時仿真專用系統(tǒng)，硬件設(shè)備相當(dāng)昂貴。

(4)其他

除了以上3種應(yīng)用較多的實時仿真平臺外，還有一些實時仿真系統(tǒng)也得到了一定的應(yīng)用，如華力創(chuàng)通的HRT1000、ADI系列實時仿真器、以及用于電力系統(tǒng)實時仿真的HyperSim等。

2.2開關(guān)延遲問題

實時仿真具有嚴(yán)格的時間邊界，必須采用定步長仿真模式，所以實時仿真器的采樣周期不可能與觸發(fā)脈沖同步。實時仿真器采樣周期與觸發(fā)脈沖的異步性如圖4所示。實時仿真器的采樣時刻為固定間隔，即圖中虛線所示的t(n-1)、t(n)、t(n+1)時刻，而觸發(fā)脈沖跳變(即開關(guān)狀態(tài)變化)的時刻發(fā)生在t(k)時刻，即在實時仿真器兩次固定采樣點的中間時刻，從而造成了開關(guān)延遲現(xiàn)象，t(k)時刻發(fā)生的開關(guān)事件直至t(n)時刻才能被實時仿真器捕捉到。開關(guān)延遲現(xiàn)象是定步長實時仿真中存在的特殊問題，影響了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，根據(jù)不同的電路結(jié)構(gòu)，該現(xiàn)象將造成電壓電流出現(xiàn)不真實的“尖峰”，即非特征諧波[6]，在某些情況下甚至?xí)饠?shù)值振蕩。國外學(xué)者對此現(xiàn)象進行了深入研究[7-8]，主要有以下幾種補償算法。

(1)DIM(DoubleInterpolationMethod)

通過線性插值來解決離線定步長仿真中開關(guān)延遲問題在某些仿真軟件中已經(jīng)得到了成功的應(yīng)用，DIM方法通過兩次線性插值來解決定步長實時仿真中的開關(guān)延遲問題，其主要原理如圖5所示。開關(guān)事件發(fā)生的時刻為te，但直到固定采樣點時刻才被檢測到，算法的具體過程為：a.由X1和X2線性插值得到Xe;b.將Xe作為初始狀態(tài)解算到一個中間狀態(tài)Xe+Ts;c.由Xe和Xe+Ts線性插值得到X′2。DIM方法從t2時刻檢測到開關(guān)事件直到t3時刻計算出狀態(tài)X3，經(jīng)過了兩次插值計算和兩次正常解算步驟。該方法對于實時仿真來說計算量較大，但仿真結(jié)果非常準(zhǔn)確。

(2)IEM(Interpolation-ExtrapolationMethod)

IEM方法原理如圖6所示，其算法具體過程前兩個步驟與DIM的一樣，在得到Xe+Ts后，并不是往后回到t2點，而是直接線性外推得到t3時刻的狀態(tài)X3。該方法從t2時刻檢測到開關(guān)事件直到t3時刻計算出狀態(tài)X3，經(jīng)過了一次插值計算、一次正常解算步驟和一次外推計算。與DIM方法相比，該方法計算量稍小，仿真結(jié)果準(zhǔn)確度稍差。

(3)PCM(Post-CorrectionMethod)

上述兩種補償方法都是通過修改狀態(tài)來解決開關(guān)延遲問題，算法較為復(fù)雜，而PCM方法則另辟蹊徑，通過修改開關(guān)函數(shù)來解決開關(guān)延遲問題，其原理如圖7所示。圖7(a)表示一個關(guān)斷的開關(guān)事件發(fā)生在te時刻，經(jīng)過定步長仿真后增加了A1區(qū)域誤差，PCM方法則在下一個仿真周期減去A1面積用來校正仿真結(jié)果;類似的，圖7(b)表示一個導(dǎo)通的開關(guān)事件發(fā)生在te時刻，經(jīng)過定步長仿真后丟失了A2區(qū)域，PCM方法則在下一個仿真周期加上A2面積用來補償仿真結(jié)果。

(4)GSAM(GatingSignalAveragingMethod)

該方法與PCM方法一樣，也是通過修改開關(guān)函數(shù)來解決開關(guān)延遲問題，它基于平均值的思想，根據(jù)每個采樣周期的占空比在下一個周期修改開關(guān)函數(shù)，保證其平均值相等，其原理如圖8所示。該方法與PCM方法一樣原理簡單，而且實現(xiàn)方便，特別需要指出的是，該方法在一個仿真步長內(nèi)能夠處理“多重開關(guān)”事件而不會引起額外的延遲。“多重開關(guān)”[2]是指在一個步長內(nèi)的不同時刻會出現(xiàn)多次開關(guān)動作，如圖8中t1到t2時刻的一個仿真步長內(nèi)出現(xiàn)了兩次開關(guān)動作，則稱之為“多重開關(guān)”。

國外最新研究表明，上述4種補償算法在仿真頻率為開關(guān)頻率10倍以上時能取得較滿意的效果，如果仿真頻率不能滿足該要求，則補償算法仿真精度較低。例如，若開關(guān)頻率為2~5kHz，則仿真頻率至少為20~50kHz(對應(yīng)仿真步長為50~20μs)，20μs的仿真步長是目前常規(guī)處理器的處理極限，也就是說，上述補償算法對于開關(guān)頻率高于5kHz的電力電子系統(tǒng)仿真是不準(zhǔn)確的。另外，高開關(guān)頻率將會使得定步長仿真中出現(xiàn)“多重開關(guān)”現(xiàn)象，同樣也會影響仿真精度。開關(guān)頻率與仿真步長對仿真結(jié)果的影響如表1所示。由以上分析可知，各種補償算法并不能從根本上解決開關(guān)延遲問題，如果要從根本上解決開關(guān)延遲問題，必須將仿真步長縮短至足夠小。

但常規(guī)處理器無法做到這一點，而基于FPGA技術(shù)的仿真器能很好的解決這一問題。近幾年來，F(xiàn)PGA技術(shù)逐步應(yīng)用于實時仿真領(lǐng)域，從用于PWM脈沖捕獲的硬件I/O板卡開始，到用于超高速計算的處理器板，都采用了FPGA技術(shù)，目前主流的實時仿真系統(tǒng)如dSPACE、RT-LAB都提供了此類板卡。采用基于FPGA的處理器板可以將實時仿真步長縮短至ns級，從而不需任何補償即可解決電力電子系統(tǒng)仿真圖8GSAM補償算法Fig.8GSAMcompensationalgorithm表1開關(guān)頻率與仿真步長對仿真結(jié)果的影響Tab.1Theimpactofswitchingfrequencyandsimulationsteponsimulationresults開關(guān)頻率/kHz122仿真步長/μs50500.5仿真結(jié)果誤差±5%±10%±0.1%的開關(guān)延遲問題。但是由于基于FPGA建模難度較大，限制了其在復(fù)雜系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用，目前采用較多的方法是將FPGA處理器板與常規(guī)處理器板結(jié)合起來進行實時仿真——對實時性要求最高的模型讓其在FPGA處理器板中運算;而對實時性要求稍低的模型則可以放在常規(guī)處理器板中進行運算。