一、現(xiàn)代電力電子技術(shù)發(fā)展闡述

1.1 電力電子在現(xiàn)代工業(yè)中的重要角色

電力電子技術(shù)作為門新興的交叉學(xué)科，在能源革命中扮演著重要角色，電力電子技術(shù)的應(yīng)用必須要進(jìn)行相應(yīng)的充分準(zhǔn)備才能將其優(yōu)勢(shì)發(fā)揮到最大，否則該技術(shù)的潛能不能得到工程技術(shù)人員的深刻認(rèn)識(shí)，或者預(yù)期的節(jié)能效果也可能會(huì)因?yàn)殄e(cuò)誤的參數(shù)設(shè)置而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)代工業(yè)對(duì)電氣工程技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)提出越來(lái)越高的要求，電力電子專業(yè)人員不僅要具備扎實(shí)的理論知識(shí)、全面的計(jì)劃能力，還要掌握接線和參數(shù)設(shè)置等實(shí)踐技能。因此，面向技術(shù)應(yīng)用的高等工程必須要強(qiáng)調(diào)實(shí)踐導(dǎo)向。

1.2 現(xiàn)代電氣傳動(dòng)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和分析工具

為了應(yīng)對(duì)技術(shù)變革帶來(lái)的挑戰(zhàn)，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)迫切需要高素質(zhì)的工程技術(shù)人才，除了掌握扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，他們還要熟悉并掌握在工程技術(shù)中廣泛應(yīng)用的高效工具的使用方法。在全球范圍內(nèi)，Matlab?/ Simulink?編程語(yǔ)言已成為科學(xué)技術(shù)計(jì)算和仿真的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。借助Matlab?/ Simulink?高級(jí)語(yǔ)言及其數(shù)值計(jì)算、可視化和編程等交互環(huán)境，驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)周期得到大幅縮短。當(dāng)前，電力電子技術(shù)的應(yīng)用范圍正在不斷擴(kuò)大。這些工業(yè)化的工具使用過(guò)程十分復(fù)雜，因此必須通過(guò)理論聯(lián)系實(shí)際的方式，特別是借助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和“半實(shí)物仿真”的實(shí)驗(yàn)方式，進(jìn)行系統(tǒng)地傳授和學(xué)習(xí)。在培養(yǎng)未來(lái)工程師的方面，全世界的高等院校都有義不容辭的責(zé)任。

1.3 基于模型開(kāi)發(fā)MBD半實(shí)物仿真

研旭驅(qū)動(dòng)控制器可通過(guò)編程接口實(shí)現(xiàn)自由編程。借助YXSPACE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可在Matlab?/Simulink?中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜變速驅(qū)動(dòng)的快速仿真，然后將生成的代碼程序?qū)懭腧?qū)動(dòng)控制器中。在可變負(fù)載條件下，學(xué)生還可以使用拓展工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜分析。Matlab?/Simulink?是高等院校廣泛使用的實(shí)驗(yàn)和科研軟件，研旭電力電子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)硬件系統(tǒng)與該軟件的實(shí)時(shí)互動(dòng)操作，為電力電子和驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研提供了一種新方式。

二、半實(shí)物新能源汽車V2G雙向充放電模擬系統(tǒng)

V2G是電動(dòng)汽車往電網(wǎng)輸送能量的技術(shù)，對(duì)象是電動(dòng)汽車蓄電池和電力網(wǎng)，是Vehicle-to-Grid的簡(jiǎn)稱。V2G充電樁技術(shù)其核心理念即是：將處于停駛狀態(tài)的電動(dòng)汽車當(dāng)作移動(dòng)式儲(chǔ)能裝置，在電網(wǎng)需求側(cè)響應(yīng)，提供緊急供電和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的互動(dòng)。

電動(dòng)汽車V2G技術(shù)其核心思想就是利用大量電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能源作為電網(wǎng)和可再生能源的緩沖。汽車到電網(wǎng)技術(shù)正受到人們的廣泛關(guān)注，這是因?yàn)橥ㄟ^(guò)V2G，電網(wǎng)效率低以及可再生能源波動(dòng)的問(wèn)題不僅可以得到很大程度的緩解，還可以為電動(dòng)車用戶創(chuàng)造收益。

使電動(dòng)汽車實(shí)現(xiàn)V2G，需要在電網(wǎng)和汽車間配備雙向的智能充電器。此雙向充電器必須具有為電動(dòng)汽車電池充電的功能，同時(shí)產(chǎn)生最小的電流諧波，也應(yīng)具有根據(jù)調(diào)節(jié)向電網(wǎng)回饋能量的能力。

雙向充電器由濾波器、雙向DC-DC變換器以及雙向AC-DC變換器組成。當(dāng)充電器工作于電池充電模式時(shí)，交流電首先通過(guò)濾波器濾除不期望的頻率分量，然后通過(guò)雙向AC-DC變換器將交流整流成直流。由于雙向AC-DC變換器的輸出電壓可能與直流儲(chǔ)能單元的電壓不匹配，還需要一個(gè)雙向DC-DC變換器來(lái)保證合適的充電電壓。當(dāng)變換器工作于電池放電模式時(shí)，其過(guò)程則恰好相反。

三、V2G模擬系統(tǒng)組成：

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1、直流充電樁回饋負(fù)載模擬器（動(dòng)力電池模擬）

2、SP2000快速原型控制器（同時(shí)一控二）

3、雙向DC-AC變流器（充電樁交流側(cè)）

4、雙向DC-DC變流器（充電樁直流側(cè)）

5、配電、變壓器、負(fù)載等（可選配）

6、監(jiān)控系統(tǒng)（選配，多臺(tái)聯(lián)動(dòng)調(diào)度）

四、設(shè)備介紹：

4.1 ?YXDG-DCDZ直流充電樁回饋負(fù)載模擬器

產(chǎn)品概述：

YXDG-DCDZ直流充電樁回饋負(fù)載模擬器其直流輸出特性具有高精度及高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并具有雙向能量轉(zhuǎn)換功能，采用全數(shù)字控制，精度高，速度快，輸出調(diào)節(jié)范圍廣。外置國(guó)標(biāo)充電機(jī)槍座，充電樁可與負(fù)載直接握手通訊，讀取收發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)及充電指令。負(fù)載模擬器能夠模擬各種動(dòng)力電池的充放電特性。主要場(chǎng)合為電動(dòng)汽車雙向充電機(jī)的測(cè)試和電池組充放電等。

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產(chǎn)品特點(diǎn)：

1、外置國(guó)標(biāo)充電機(jī)槍座，充電樁可與負(fù)載直接握手通訊，讀取收發(fā)相關(guān)數(shù)據(jù)及充電指令。

2、內(nèi)置磷酸鐵鋰、鈷酸鋰、三元鋰、鎳氫電池等多種電池模擬特性曲線；

3、采用四象限控制技術(shù)，全功率內(nèi)能量雙向流動(dòng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，節(jié)能高效；

4、直流電壓0-800V，電流0-40A，最大單機(jī)功率20kW；

5、內(nèi)置高頻隔離變壓器+交直流濾波，輸入輸出電氣隔離；

6、能實(shí)現(xiàn)輸出的電壓范圍寬、精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的特點(diǎn)；

7、DCDC側(cè)采用載波移相電路，使直流輸出側(cè)精度更高，紋波更?。?/p>

8、采用高速數(shù)字控制技術(shù)，輸出精度達(dá)到0.1%；

9、采用七寸組態(tài)屏操作，操作、顯示便捷；

10、較寬的輸出范圍，可適用不同類型設(shè)備測(cè)試；

11、采用模塊化設(shè)計(jì)，設(shè)備后期更新維護(hù)簡(jiǎn)單；

12、支持多機(jī)并聯(lián)，最大功率500kW；

13、支持輸出過(guò)壓，過(guò)流短路保護(hù)功能、以及過(guò)溫度保護(hù)功能；

14、具備CAN通信接口和RS485接口，提供開(kāi)放式MODBUS規(guī)約；

15、直流輸出ON/OFF開(kāi)關(guān)。

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4.2 ?YXSPACE快速原型控制器

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YXSPACE產(chǎn)品系列能夠?qū)⒂脩粼O(shè)計(jì)的圖形化的高級(jí)語(yǔ)言編寫的控制算法（Simulink）轉(zhuǎn)換成DIDO、AIAO量，完成實(shí)際硬件控制。其基本控制框圖如下所示：

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控制算法模型一般采用Matlab中的Simulink工具搭建，將模型中的接口與硬件驅(qū)動(dòng)接口綁定后，再結(jié)合TI公司的CCS編譯工具產(chǎn)生可執(zhí)行文件，下載至YXSPACE控制器中運(yùn)行。

研旭YXSPACE-VIEW2000軟件主要用于配置YXSPACE控制器工作模式，同時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制過(guò)程中的各類運(yùn)行量，包括采集量、中間控制變量等。YXSPACE-VIEW2000包括了6類組態(tài)控件，分別為遙控控件、遙信控件、遙調(diào)控件、遙測(cè)控件、示波器控件以及文字編輯控件等。用戶可以借助這些控件，直觀、方便的搭建監(jiān)控界面，監(jiān)控控制器內(nèi)部運(yùn)行的詳細(xì)信息。

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YXSPACE獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)

l?采用目前市面成品常用的控制芯片作為CPU，其仿真結(jié)果針對(duì)實(shí)際研究更具有參考性；

l?在Matlab中設(shè)計(jì)的控制算法自動(dòng)生成代碼，自動(dòng)加載到實(shí)時(shí)目標(biāo)機(jī)中運(yùn)行，避免了繁瑣的編程和Debug工作；

l?使用門檻低，會(huì)Matlab仿真即可完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作，所有測(cè)試工作只需一人即可完成；

l?模型與硬件接口鏈接簡(jiǎn)單，只需記住端口編號(hào)即可，更不用配置硬件各類細(xì)節(jié)，免去一切不必要的麻煩；

l?性價(jià)比高，在同等功能的前提下，YXSPACE成本更低；

l?具備自主編寫的驅(qū)動(dòng)庫(kù)，可以直接導(dǎo)入到Simulink庫(kù)中，用戶可以直接在Matlab軟件中拖動(dòng)相應(yīng)的硬件元件庫(kù)，將模型中的數(shù)據(jù)直接與硬件對(duì)接，無(wú)需再花費(fèi)時(shí)間去查詢硬件映射。8種庫(kù)文件，可適用于各種工程調(diào)試需求；

l?模型轉(zhuǎn)換文件的透明化，用戶可直接查看模型轉(zhuǎn)換后的源碼。

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YXSPACE-VIEW2000軟件

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研旭公司專門為SP2000研發(fā)了一套上位機(jī)監(jiān)控軟件VIEW2000軟件。

VIEW2000軟件中包含控制器設(shè)置以及組態(tài)區(qū)。其中控制器設(shè)置界面共有4類控制器設(shè)置，包括仿真步長(zhǎng)設(shè)置，DO控制源設(shè)置，QEP/CAP模式設(shè)置，PWM模塊設(shè)置。

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組態(tài)區(qū)主要包括功能按鈕、組態(tài)控件、工作區(qū)等。

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4.3 桌面型功率模塊YXPHM

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YXPHM系列采用基于模型設(shè)計(jì)的理念，脫胎于研旭成熟產(chǎn)品光伏并網(wǎng)逆變器與風(fēng)機(jī)變流器等成熟產(chǎn)品，又結(jié)合了研旭多年的模塊化組件與開(kāi)放式平臺(tái)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電路、傳感器電路、信號(hào)處理電路進(jìn)一步集成，同時(shí)提供實(shí)際控制器接口、快速原型控制器結(jié)構(gòu)與實(shí)際控制器模塊，為用戶提供性價(jià)比更好的模塊化產(chǎn)品。

YXPHM多功能桌面型電力電子功率轉(zhuǎn)換平臺(tái)，采用積木式搭建形式，將功率轉(zhuǎn)換電路中的電感，電容，功率開(kāi)關(guān)等器件方便的組合在一起，形成電力電子積木PEBB（Power Electronics Building Block）。

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開(kāi)發(fā)平臺(tái)包括硬件部分、軟件驅(qū)動(dòng)，是針對(duì)高校開(kāi)展電力電子技術(shù)研究推出的一種開(kāi)放式的二次開(kāi)發(fā)教學(xué)科研平臺(tái)。該平臺(tái)在硬件上采用分體化設(shè)計(jì)，控制板、采集板、功率板、電容板等模塊化，外殼采用透明的亞克力板材，美觀實(shí)用，用戶可以方便觀察內(nèi)部的硬件結(jié)構(gòu)。同時(shí)頂蓋可以打開(kāi)，方便進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的測(cè)量。

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主要功能

1、模塊拓展：采用模塊化設(shè)計(jì)，用戶可以定制所需要的拓?fù)洌峁╅_(kāi)源軟件模塊，用戶可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)?？蛇M(jìn)行多種拓?fù)涠ㄖ疲?/p>

2、開(kāi)放設(shè)計(jì)：開(kāi)放給用戶硬件原理圖、硬件設(shè)計(jì)說(shuō)明以及軟件模塊如底層驅(qū)動(dòng)，控制算法等。

3、安全穩(wěn)定：設(shè)計(jì)了健全的保護(hù)機(jī)制，軟件方面有過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流速斷保護(hù)、IGBT過(guò)熱保護(hù)、通訊保護(hù)等；硬件方面有短路保護(hù)、IGBT過(guò)流保護(hù)等。

4、半實(shí)物仿真：方便與研旭YXspace控制器、NI控制器、RT-LAB控制器、dSPACE控制器等數(shù)字實(shí)時(shí)仿真器對(duì)接，可提供相應(yīng)的數(shù)字轉(zhuǎn)接板，免去客戶硬件設(shè)計(jì)之憂。

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功能拓?fù)涫纠?/span>

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圖為接線面板：主控CPU采用目前流行的DSP，型號(hào)為TI公司的TMS320F28335，其32位浮點(diǎn)處理能力，非常適用于變流器控制場(chǎng)合。通過(guò)傳感器分別采集三相交流電流、三相交流電壓、直流側(cè)電壓、電流以及溫度等信息送給DSP，然后DSP經(jīng)過(guò)特定的算法，輸出PWM調(diào)制波控制開(kāi)關(guān)器件，從而可以實(shí)現(xiàn)直流變交流或者交流變直流能量雙向流動(dòng)。除此之外，信號(hào)處理電路還預(yù)留的外部控制器接口，方便對(duì)接RCP控制器，如DSPACE、RT-LAB、SPEEDGOAT、PLEX、YXSPACE等。

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圖為實(shí)物圖片，采用亞格力材料封裝?？梢云椒旁谧雷由厦?，故稱作桌面型功率模塊。

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4.4、控制算法及模型

提供與此項(xiàng)目配套的Simulink仿真模型，該模型可以直接驅(qū)動(dòng)功率硬件電路，實(shí)現(xiàn)功率變換。仿真模型需開(kāi)放，用戶可以直接在此基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，便于二次開(kāi)發(fā)。

配備相應(yīng)的Matlab離線仿真算法模型一套，供用戶進(jìn)行基于模型的算法優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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4.5 開(kāi)源資料

1、提供變流器電路板硬件原理圖：控制板，電源板，信號(hào)板，電容板，驅(qū)動(dòng)板；

2、開(kāi)放控制板的debug接口，客戶可以燒寫自己的程序；

3、開(kāi)放變流器源代碼代碼（選配），包括但不限于程序主框架、硬件驅(qū)動(dòng)功能、硬件配置功能、通訊功能、保護(hù)功能、編碼器功能、采樣功能、濾波函數(shù)、FOC控制算法等。（選配）

4、提供變流器的simulink算法模型，控制模型完全開(kāi)放且可修改，用戶可直接使用。

4.6 調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)

調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)是V2G系統(tǒng)的神經(jīng)中樞和能量管理中心，系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建傳感測(cè)控網(wǎng)絡(luò)，對(duì)智能微網(wǎng)各種類設(shè)備運(yùn)行、環(huán)境狀態(tài)及人員管理進(jìn)行綜合的信息感知，監(jiān)控各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行信息，集成系統(tǒng)發(fā)電和儲(chǔ)能監(jiān)控、供電監(jiān)控、計(jì)費(fèi)管理等功能。同時(shí)接收調(diào)度中心下發(fā)的調(diào)度指令，并根據(jù)當(dāng)前各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行信息合理的分配調(diào)度指令。

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系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)覆蓋發(fā)電、儲(chǔ)能、能量轉(zhuǎn)換、供配電及整體調(diào)度的各個(gè)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)測(cè)監(jiān)控管理，保障微網(wǎng)各環(huán)節(jié)安全可靠運(yùn)行。

監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)平臺(tái)，通過(guò)對(duì)各回路智能設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視與控制。

監(jiān)控系統(tǒng)全面遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，采用面向?qū)ο蟆⒔M件化分層、分布設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)從邏輯上分為三層：

數(shù)據(jù)接口層：數(shù)據(jù)接口專門用于數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)處理層：包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)環(huán)境、事件服務(wù)器環(huán)境、計(jì)算環(huán)境、歷史數(shù)據(jù)環(huán)境、校時(shí)服務(wù)器環(huán)境等。

數(shù)據(jù)應(yīng)用層：包括數(shù)據(jù)展現(xiàn)功能，同時(shí)包含基于此數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)的眾多通用或擴(kuò)展應(yīng)用模塊，比如負(fù)荷預(yù)測(cè)、功率分析等。

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4.7 算例DEMO

1、模擬電動(dòng)車充電實(shí)驗(yàn)（AC-DC-DC整流）

2、模擬電動(dòng)車放電實(shí)驗(yàn)（DC-DC-AC逆變）

3、基于V2G技術(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)度策略

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