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半實(shí)物仿真教學(xué)
2017-04-13
隨著我國(guó)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(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)提高電力系統(tǒng)安全控制水平，具有重要意義。搭建實(shí)際物理電力電子系統(tǒng)所需要的經(jīng)費(fèi)投入、維護(hù)費(fèi)用非常昂貴，同時(shí)強(qiáng)電設(shè)備的使用和研究會(huì)帶來(lái)相應(yīng)的危險(xiǎn)性，因此采用仿真方法來(lái)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(yuǎn)程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)只是進(jìn)行離線仿真，沒(méi)有辦法和實(shí)際硬件控制機(jī)構(gòu)成閉環(huán)，并進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)試。與離線仿真不一樣的是，半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用NI硬件作為仿真的硬件平臺(tái)，采用StarSim仿真軟件作為實(shí)時(shí)仿真的軟件架構(gòu)，通過(guò)結(jié)合最先進(jìn)的硬件技術(shù)與建模仿真技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電力電子實(shí)時(shí)仿真器。實(shí)時(shí)仿真器可以模擬真實(shí)電網(wǎng)中的各類電力電子系統(tǒng)的運(yùn)行情況，例如風(fēng)電系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)，儲(chǔ)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(shí)物仿真平臺(tái)上，進(jìn)行電網(wǎng)仿真、系統(tǒng)策略方面的研究，也可以通過(guò)連接實(shí)際控制器硬件或原型控制器（RCP）的方式，來(lái)進(jìn)行硬件在環(huán)測(cè)試，后期還能通過(guò)功率放大器來(lái)進(jìn)行功率硬件在環(huán)（PHIL）的研究，在科研、教學(xué)和橫向的開(kāi)發(fā)上均應(yīng)用廣泛。
半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以NI作為硬件平臺(tái)，系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：
半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)以NI作為硬件平臺(tái)，系統(tǒng)架構(gòu)如下圖所示：
A.實(shí)時(shí)仿真器仿真被控對(duì)象，仿真器采用PXI平臺(tái)以及性能強(qiáng)大的FPGA板卡，高速并準(zhǔn)確地仿真出被控對(duì)象的特性與響應(yīng)。兩者通過(guò)PXI的背板總線有機(jī)結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)多種電力以及電力電子系統(tǒng)拓?fù)涞淖杂纱罱ㄅc實(shí)時(shí)仿真，能夠方便的與實(shí)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(lái)搭建自己的電力電子系統(tǒng)模型，在LabVIEW的環(huán)境中對(duì)電力電子系統(tǒng)進(jìn)行離線仿真實(shí)驗(yàn)；
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(shí)時(shí)仿真器的FPGA中，用戶不需要進(jìn)行FPGA的編程和運(yùn)行前的編譯工作，就能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)仿真，極大地加速開(kāi)發(fā)進(jìn)程。
D.接線盒提供開(kāi)放式接線，結(jié)合系統(tǒng)模型IO接口的配置，學(xué)生可以自行通過(guò)接線盒修改實(shí)際接線，在實(shí)踐中理解信號(hào)傳遞的方向，更深入地理解控制原理。同時(shí)，開(kāi)放式的接線盒還可以再外部連接示波器，學(xué)生可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)示波器觀察系統(tǒng)各路輸出信號(hào)，加深對(duì)電路知識(shí)的理解與學(xué)習(xí)效果，對(duì)實(shí)際系統(tǒng)有更直觀的認(rèn)識(shí)；
E.控制器部分可以根據(jù)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行變換，半實(shí)物仿真教學(xué)平臺(tái)會(huì)提供一套教學(xué)控制器以及實(shí)驗(yàn)課程的控制部分。教師可以在教學(xué)控制器提供的控制程序的基礎(chǔ)上，進(jìn)行算法與程序修改和開(kāi)發(fā)，拓展教學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容；同時(shí)，也可以將教學(xué)控制器替換為DSP控制器，進(jìn)行控制器研究、控制算法搭建方面的教學(xué)；
半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供十個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)電路的仿真部分以及實(shí)驗(yàn)控制部分的程序。教師可以在平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)程序的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)電路仿真以及控制側(cè)的修改。半實(shí)物仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能十分強(qiáng)大，可以支持進(jìn)行電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、電力拖動(dòng)理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)電力傳輸實(shí)驗(yàn)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)。平臺(tái)復(fù)用的強(qiáng)大功能，將為教師提供更靈活的教學(xué)內(nèi)容選擇，更方便的實(shí)驗(yàn)室部署，更少的后期維護(hù)，更高的教學(xué)效率；為學(xué)生提供了學(xué)習(xí)研究更多高壓復(fù)雜系統(tǒng)的可能性，提供更安全可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，更多的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)。老師可以結(jié)合研究的熱點(diǎn)和基礎(chǔ)教學(xué)的內(nèi)容，不斷修改實(shí)驗(yàn)教學(xué)的對(duì)象和內(nèi)容；優(yōu)秀的學(xué)生也可以更快地將自己學(xué)習(xí)中的疑問(wèn)、創(chuàng)新思考迅速地與實(shí)際硬件結(jié)合起來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。教寓于學(xué)，學(xué)以致用，與傳統(tǒng)的高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式互相配合，助力高校的卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃。
半實(shí)物仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供十個(gè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)，包括實(shí)驗(yàn)電路的仿真部分以及實(shí)驗(yàn)控制部分的程序。教師可以在平臺(tái)提供的實(shí)驗(yàn)程序的基礎(chǔ)上，結(jié)合學(xué)校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)電路仿真以及控制側(cè)的修改。半實(shí)物仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能十分強(qiáng)大，可以支持進(jìn)行電路基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)、電力電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)、電力拖動(dòng)理論教學(xué)實(shí)驗(yàn)、電力系統(tǒng)電力傳輸實(shí)驗(yàn)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)課程的開(kāi)設(shè)。平臺(tái)復(fù)用的強(qiáng)大功能，將為教師提供更靈活的教學(xué)內(nèi)容選擇，更方便的實(shí)驗(yàn)室部署，更少的后期維護(hù)，更高的教學(xué)效率；為學(xué)生提供了學(xué)習(xí)研究更多高壓復(fù)雜系統(tǒng)的可能性，提供更安全可靠的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，更多的動(dòng)手操作機(jī)會(huì)。老師可以結(jié)合研究的熱點(diǎn)和基礎(chǔ)教學(xué)的內(nèi)容，不斷修改實(shí)驗(yàn)教學(xué)的對(duì)象和內(nèi)容；優(yōu)秀的學(xué)生也可以更快地將自己學(xué)習(xí)中的疑問(wèn)、創(chuàng)新思考迅速地與實(shí)際硬件結(jié)合起來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。教寓于學(xué)，學(xué)以致用，與傳統(tǒng)的高等教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式互相配合，助力高校的卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃。
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