半實物仿真教學
2017-04-13
隨著我國電網(wǎng)容量的增大，與新能源發(fā)電系統(tǒng)在傳統(tǒng)電網(wǎng)中的投入使用不斷增加，高校研究電力系統(tǒng)控制方法和理論，借助現(xiàn)代信息技術和現(xiàn)代控制技術提高電力系統(tǒng)安全控制水平，具有重要意義。搭建實際物理電力電子系統(tǒng)所需要的經(jīng)費投入、維護費用非常昂貴，同時強電設備的使用和研究會帶來相應的危險性，因此采用仿真方法來研究電網(wǎng)的方式已經(jīng)被越老越多的高校和研究所采用。
遠程虛擬仿真實驗只是進行離線仿真，沒有辦法和實際硬件控制機構(gòu)成閉環(huán)，并進行實時的測試。與離線仿真不一樣的是，半實物仿真實驗平臺采用NI硬件作為仿真的硬件平臺，采用StarSim仿真軟件作為實時仿真的軟件架構(gòu)，通過結(jié)合最先進的硬件技術與建模仿真技術來實現(xiàn)電力電子實時仿真器。實時仿真器可以模擬真實電網(wǎng)中的各類電力電子系統(tǒng)的運行情況，例如風電系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)以及直流輸電系統(tǒng)、STATCOM、SVG系統(tǒng)等。因此，使用者既可以在半實物仿真平臺上，進行電網(wǎng)仿真、系統(tǒng)策略方面的研究，也可以通過連接實際控制器硬件或原型控制器（RCP）的方式，來進行硬件在環(huán)測試，后期還能通過功率放大器來進行功率硬件在環(huán)（PHIL）的研究，在科研、教學和橫向的開發(fā)上均應用廣泛。
半實物仿真實驗教學平臺以NI作為硬件平臺，系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：
半實物仿真實驗教學平臺以NI作為硬件平臺，系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：
A.實時仿真器仿真被控對象，仿真器采用PXI平臺以及性能強大的FPGA板卡，高速并準確地仿真出被控對象的特性與響應。兩者通過PXI的背板總線有機結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)多種電力以及電力電子系統(tǒng)拓撲的自由搭建與實時仿真，能夠方便的與實際控制器構(gòu)成硬件在環(huán)系統(tǒng)。
B.StarSim Offline 為建模軟件，提供了一系列的電力與電力電子系統(tǒng)的模型。用戶可以方便地用它來搭建自己的電力電子系統(tǒng)模型，在LabVIEW的環(huán)境中對電力電子系統(tǒng)進行離線仿真實驗；
C.StarSim FPGA Express為基于模型配置的軟件，可以幫助用戶把搭建好的StarSim模型下載到實時仿真器的FPGA中，用戶不需要進行FPGA的編程和運行前的編譯工作，就能夠?qū)崿F(xiàn)實時仿真，極大地加速開發(fā)進程。
D.接線盒提供開放式接線，結(jié)合系統(tǒng)模型IO接口的配置，學生可以自行通過接線盒修改實際接線，在實踐中理解信號傳遞的方向，更深入地理解控制原理。同時，開放式的接線盒還可以再外部連接示波器，學生可以在實驗過程中通過示波器觀察系統(tǒng)各路輸出信號，加深對電路知識的理解與學習效果，對實際系統(tǒng)有更直觀的認識；
E.控制器部分可以根據(jù)教學內(nèi)容進行變換，半實物仿真教學平臺會提供一套教學控制器以及實驗課程的控制部分。教師可以在教學控制器提供的控制程序的基礎上，進行算法與程序修改和開發(fā)，拓展教學實驗的內(nèi)容；同時，也可以將教學控制器替換為DSP控制器，進行控制器研究、控制算法搭建方面的教學；
半實物仿真實驗教學平臺提供十個教學實驗，包括實驗電路的仿真部分以及實驗控制部分的程序。教師可以在平臺提供的實驗程序的基礎上，結(jié)合學校實驗教學的重點，進行系統(tǒng)電路仿真以及控制側(cè)的修改。半實物仿真教學實驗平臺的性能十分強大，可以支持進行電路基礎實驗、電力電子技術實驗、電力拖動理論教學實驗、電力系統(tǒng)電力傳輸實驗等相關實驗課程的開設。平臺復用的強大功能，將為教師提供更靈活的教學內(nèi)容選擇，更方便的實驗室部署，更少的后期維護，更高的教學效率；為學生提供了學習研究更多高壓復雜系統(tǒng)的可能性，提供更安全可靠的實驗環(huán)境，更多的動手操作機會。老師可以結(jié)合研究的熱點和基礎教學的內(nèi)容，不斷修改實驗教學的對象和內(nèi)容；優(yōu)秀的學生也可以更快地將自己學習中的疑問、創(chuàng)新思考迅速地與實際硬件結(jié)合起來進行驗證。教寓于學，學以致用，與傳統(tǒng)的高等教育實驗教學方式互相配合，助力高校的卓越工程師培養(yǎng)計劃。
半實物仿真實驗教學平臺提供十個教學實驗，包括實驗電路的仿真部分以及實驗控制部分的程序。教師可以在平臺提供的實驗程序的基礎上，結(jié)合學校實驗教學的重點，進行系統(tǒng)電路仿真以及控制側(cè)的修改。半實物仿真教學實驗平臺的性能十分強大，可以支持進行電路基礎實驗、電力電子技術實驗、電力拖動理論教學實驗、電力系統(tǒng)電力傳輸實驗等相關實驗課程的開設。平臺復用的強大功能，將為教師提供更靈活的教學內(nèi)容選擇，更方便的實驗室部署，更少的后期維護，更高的教學效率；為學生提供了學習研究更多高壓復雜系統(tǒng)的可能性，提供更安全可靠的實驗環(huán)境，更多的動手操作機會。老師可以結(jié)合研究的熱點和基礎教學的內(nèi)容，不斷修改實驗教學的對象和內(nèi)容；優(yōu)秀的學生也可以更快地將自己學習中的疑問、創(chuàng)新思考迅速地與實際硬件結(jié)合起來進行驗證。教寓于學，學以致用，與傳統(tǒng)的高等教育實驗教學方式互相配合，助力高校的卓越工程師培養(yǎng)計劃。
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