一種用于半實物仿真的安全接口裝置及設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于半實物仿真領(lǐng)域，具體涉及一種用于半實物仿真的安全接口裝置及設(shè) 計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)與分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)的逐步推進，裝機容量穩(wěn)步 增加，光伏逆變器的應(yīng)用量也隨之大幅上漲。作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的技術(shù)含量最高的裝置 之一，光伏逆變器在整個系統(tǒng)中的穩(wěn)定性要求也變得越來越嚴格。然而，受到研發(fā)實驗室環(huán) 境以及硬件條件的制約，其核心控制器及控制軟件在批量應(yīng)用前，一般無法得到全面、詳盡 的測試，可能存在受到現(xiàn)場偶發(fā)事件影響的風(fēng)險，影響逆變器發(fā)電性能乃至整個電網(wǎng)的穩(wěn) 定性。
[0003] 在傳統(tǒng)的光伏逆變器控制系統(tǒng)研發(fā)中，工程師一般采用現(xiàn)場測試、長時間運行機 器，以及使用軟件模型代替真實逆變器模擬等方式對控制器穩(wěn)定性進行測試，然而現(xiàn)場測 試模擬真實故障狀態(tài)的研發(fā)成本較高、測試操作人員及操作困難以及測試過程中存在高風(fēng) 險等問題。軟件模擬由于數(shù)據(jù)迭代計算量大，模型準確性不一致等情況，仿真速度和精度都 無法真實應(yīng)用，僅能提供算法層面的依據(jù)。采用與受測控制板與半實物仿真器連接的方式， 可以有效降低研發(fā)成本，增加系統(tǒng)測試的速度和準確性，降低測試過程中的風(fēng)險，使得控制 器可以經(jīng)受長時間運行的考驗。
[0004] 現(xiàn)有控制板與半實物仿真器之間的接口裝置大多是由半實物仿真器供應(yīng)商提供 的，由于供應(yīng)商存在專業(yè)局限性，僅局限于信號通訊及接插件轉(zhuǎn)換的目的，對受測控制板、 輸入輸出信號等需轉(zhuǎn)接環(huán)境不太清楚，因此絕大部分接口裝置都是通過直接連接兩端或使 用簡單接頭轉(zhuǎn)換器方式進行的，會產(chǎn)生以下幾個問題： 1.由于控制板及半實物仿真器通常采用IC芯片對輸入信號進行邏輯或數(shù)字采集，電 壓電流存在一定限制要求，且一般不允許出現(xiàn)過壓過流。而簡單的接頭轉(zhuǎn)換器僅提供直連 線路，沒有進行過壓過流保護，因此當有過電壓誤接觸一端或發(fā)生短路故障時，很容易對半 實物仿真器的端口造成損毀，造成設(shè)備事故和進度延誤等危害。
[0005] 2.如果控制板的數(shù)字輸出存在共模干擾，或控制板電源與仿真器電源存在電位 差，則會造成數(shù)字信號存在問題的可能。通過高壓隔離電路，可以濾除共模干擾，同時防護 因控制板誤接觸過電壓導(dǎo)致的半實物仿真器端口損毀情況的發(fā)生。
[0006] 3.半實物仿真器端口輸出的模擬信號電壓范圍與控制器采樣端口接收的電壓范 圍不一定一致，如果迀就一方而都使用較小的電壓范圍輸出，會造成另一方采樣精度的下 降，影響最終軟件評估的結(jié)果。
[0007] 為此，本發(fā)明根據(jù)光伏逆變器控制器特性，設(shè)計一種用于逆變器半實物仿真條件 下的安全接口裝置，實現(xiàn)過流過壓保護、隔離以及電壓變換功能，并特別適用于光伏逆變器 的控制器，是模擬控制系統(tǒng)仿真的必需通用裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于提供一種用于半實物仿真的安全接口裝置及設(shè)計方法。
[0009] 本發(fā)明根據(jù)逆變器控制板和仿真器的模擬信號需求，設(shè)計了模擬信號轉(zhuǎn)接板中的 模擬信號調(diào)理電路及保護電路；同時根據(jù)控制信號和通訊需求，也設(shè)計了數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板 中的保護電路和數(shù)字信號隔離電路(可根據(jù)箭頭確定信號傳遞方向）。仿真器接口與模擬信 號轉(zhuǎn)接板，接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板、發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板連接，受測光伏系統(tǒng)控制板接口也連 接模擬信號轉(zhuǎn)接板、接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板、發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板，然后和外置相互隔離的兩 路電源等組成一套轉(zhuǎn)換裝置，從而有效、持續(xù)地連接被仿真控制系統(tǒng)與仿真環(huán)境，對控制器 進行長時間的調(diào)試。
[0010] 本發(fā)明提出的用于半實物仿真的安全接口裝置，由模擬信號轉(zhuǎn)接板1、接收數(shù)字信 號轉(zhuǎn)接板6、發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板10、仿真器接口 11、受測光伏系統(tǒng)控制板接口 12和仿真器 供電接口 13和受測光伏系統(tǒng)控制板供電接口 14組成，其中： 模擬信號轉(zhuǎn)接板1由模擬輸入接口 2、接口保護電路3、模擬信號調(diào)理電路4和模擬輸 出接口 5依次連接組成； 接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板6由數(shù)字輸入接口 7、接口保護電路3、數(shù)字信號隔離電路8、接口 保護電路3和數(shù)字輸出接口 9依次連接組成； 發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板10由數(shù)字輸入接口 7、接口保護電路3、數(shù)字信號隔離電路8、接口 保護電路3和數(shù)字輸出接口 9依次連接組成； 仿真器接口 11包含第一模擬信號接口與第一數(shù)字信號接口，第一模擬信號接口與模 擬信號轉(zhuǎn)接板1中的模擬輸入接口 2相連，第一數(shù)字信號接口輸入端與接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接 板6中的數(shù)字輸出接口 9連接，第一數(shù)字信號接口的輸出端與發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板10中的 數(shù)字輸入接口 7連接； 受測光伏系統(tǒng)控制板接口 12包含第二模擬信號接口與第二數(shù)字信號接口，第二模擬 信號接口與模擬信號轉(zhuǎn)接板1中的模擬輸出接口 5相連，第二數(shù)字信號接口的輸出端與接 收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板6中的數(shù)字輸入接口 7連接，第二數(shù)字信號接口的輸入端與發(fā)送數(shù)字信 號轉(zhuǎn)接板10中的數(shù)字輸出接口 9連接； 仿真器供電接口 13分別向模擬信號轉(zhuǎn)接1中的模擬輸入接口 2、接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板 6中的數(shù)字輸出接口 9、發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板10中的數(shù)字輸入接口 7供電；受測光伏系統(tǒng)控 制板供電接口 14分別向模擬信號轉(zhuǎn)接1中的模擬輸出接口 5、接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板6中的 數(shù)字輸入接口 7、發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板10中的數(shù)字輸出接口 9供電； 模擬信號轉(zhuǎn)換板1中的模擬信號調(diào)理電路4將模擬輸入接口 2和模擬輸出接口 5的電 壓隔離；接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板6中的數(shù)字信號隔離電路8將數(shù)字輸入接口 7和數(shù)字輸出接 口 9的電壓隔離；接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板10中的數(shù)字信號隔離電路8將數(shù)字輸入接口 7和數(shù) 字輸出接口 9的電壓隔離。
[0011] 本發(fā)明提出的用于半實物仿真的安全接口裝置聽設(shè)計方法，所述安全接口裝置通 過隔離、差分運放及過流過壓保護的系統(tǒng)連接方式，將受測光伏系統(tǒng)控制板與仿真器安全 連接，其中，數(shù)字輸入接口和數(shù)字輸出接口采用隔離及過流過壓保護的方式進行保護；模擬 輸入接口和模擬輸出接口采用差分運放及過流過壓保護的方式進行保護；具體步驟如下： (1)安全接口裝置中的部件采用符合安規(guī)等級的貼片接線排，安全接口裝置在設(shè)計時 使用瞬態(tài)抑制二極管防止過電壓，同時通過瞬態(tài)抑制二極管與熔絲串聯(lián)到底的保護方式， 防止模擬信號轉(zhuǎn)接板、接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板、發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)接板因短路、瞬間上電等情況 產(chǎn)生的過電流或浪涌電流對受測光伏系統(tǒng)控制板及仿真器造成損毀；為此，根據(jù)仿真器供 電接口電壓最大值Us和受測光伏系統(tǒng)控制板供電接口電壓最大值Uc，分別選擇的瞬態(tài)抑 制二極管應(yīng)滿足：
其中：tvsl為仿真器接口保護電路用瞬態(tài)抑制二極管，tvs2為控制板接口保護電路用 瞬態(tài)抑制二極管； 熔斷絲應(yīng)滿足：
其中：熔斷絲熔斷電流為If，Ic為控制板最大承受電流，Is為仿真器最大承受電流； (2) 接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)換板、發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)換板通過光耦隔離的方式進行電氣隔離，同 時將接收數(shù)字信號轉(zhuǎn)換板、發(fā)送數(shù)字信號轉(zhuǎn)換板兩側(cè)信號進行電壓變換，使仿真器和受測 光伏系統(tǒng)控制板能在最佳電壓范圍內(nèi)工作；為此，根據(jù)信號傳輸頻率fs和仿真器接收信號 最大頻率fr，以及光伏系統(tǒng)常規(guī)控制板所用通訊頻率最大值fc，選擇合適的光耦器件： 其中：光耦轉(zhuǎn)換速率為ft ;
(3) 模擬信號通過差分運放方式采集仿真器輸出的模擬信號傳遞給受測光伏系統(tǒng)控制 板A/D采樣，形成電壓變換和高阻隔離。該方式在仿真器接口的模擬電壓范圍與受測光伏 系統(tǒng)控制器采樣端口需要的電壓范圍不一致時，也能保證充分利用仿真器輸出精度，同時 減少干擾影響；由于差分采用了高阻電阻，為防止過電流流通，形成了高阻隔離；根據(jù)模擬 信號傳輸頻率fa和仿真器發(fā)送模擬信號的最大頻率far，選擇合適的差分放大器：
其中：放大器轉(zhuǎn)換速率為f〇 ; (4) 仿真器和受測光伏系統(tǒng)控制板接口的電源在PCB (印刷電路板）設(shè)計上完全獨立。
[0012] 本發(fā)明所設(shè)計的安全接口裝置，與現(xiàn)有不通過接口電路直接連接控制器與仿真器 的方式有以下優(yōu)點： (1)能夠有效利用仿真器數(shù)模轉(zhuǎn)換器的精度。通過使用精確的模擬電路調(diào)理電壓(見附 圖3)而不是通過內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器限制，可以使控制器獲得更高精度的模擬量。
[0013] (2)提供了在仿真中增加隨機噪聲的條件?？梢酝ㄟ^用環(huán)境噪聲等電磁干擾輻射 安全接口裝置等方式，產(chǎn)生采樣誤差，達到測試控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的目的。
[0014] (3)可以防止錯誤輸出的模擬信號損壞控制器。防止模型建立過程中模擬量接口 意外輸出超出控制器接收能力的高電壓損壞控制器。
[0015] (4)提供數(shù)字量的輸入、輸出接口。防止因參數(shù)設(shè)置錯誤導(dǎo)致仿真器或控制器損 壞。
[0016] (5)提供模擬量、數(shù)字量的低強度電氣隔離。防止因錯誤接線導(dǎo)致的問題，減少因 靜電損壞設(shè)備的可能性。通過差分運放方式實現(xiàn)模擬量的低強度電氣隔離(見附圖3)，通過 光耦實現(xiàn)數(shù)字量的低強度隔離(見附圖4)。
[0017] (6)加入高壓隔離及旁路電路，防止過電壓因意外搭接到控制器或轉(zhuǎn)接板時造成 的誤觸電事故，當發(fā)生事故時，能及時保護受測控制板及半實物仿真器的端口。具體接口保 護電路見附圖2。
[0018] (7)特別根據(jù)光伏逆變器控制板對模擬量采集的需求，以及信號輸入輸出的需求， 設(shè)計了包含數(shù)字輸入和數(shù)字輸出電路，以及模擬量輸入電路，便于開展基于光伏逆變器控 制板的半實物仿真，對控制板內(nèi)部程序及算法進行驗證。
[0019] (8)考慮模擬信號的采樣要求，保證開關(guān)頻率所造成的仿真器輸出紋波模擬信號 能夠通過16倍頻以上常規(guī)采樣方法實現(xiàn)，采樣頻率應(yīng)大于f sX 16,目前主流中等及大功 率逆變器中，頻率最高已知的達到了 40kHz，因此設(shè)計模擬信號的運放帶寬采樣頻率大于 640kHz〇
[0020] (9)在未采用光電隔離器的現(xiàn)有直連轉(zhuǎn)換裝置中，因各模塊間地線相連，數(shù)字電路 中尖峰噪聲影響很大，系統(tǒng)信噪比較小。因此加入隔離光耦，一方面實現(xiàn)數(shù)字的高壓隔離， 另一方面可以提高系統(tǒng)信噪比。考慮數(shù)字信號的采樣要求，保證控制板的控制信號能準