电力电子应用中的外部主控

公司

GEISER 是阿尔卡拉大学（Universidad de Alcalá）下属的一个电力电子研究小组，该校是一所公立大学，位于西班牙马德里以南 25 公里处。作为欧洲最具影响力的电力电子实验室之一，GEISER 已开发出十余套电力转换系统，展现了其在能量转换与控制领域的深厚专业造诣。

Velox-PS是一家能源领域的初创企业，在转换器和控制系统设计方面拥有超过15年的经验，该公司赞助了该项目——这证明了业界对工业应用中外部化主控技术的浓厚商业兴趣。

面临的挑战

• 速度控制约束：主控制必须极其快速（亚毫秒级），这使得将其移出转换器硬件之外在技术上难度很大。
• 电磁干扰：电力电子系统会产生显著的电磁干扰，因此需要采用抗干扰且能保持电隔离的通信通道。
• 控制更新灵活性不足：传统方法将主要控制功能嵌入换流器内部——任何算法变更都需要对电力设备进行重新编程，从而拖慢了研发进度。
• 多设备协调：独立管理多个换流器 会导致资源冗余；若要在单一平台上实现集中控制，则需要所有设备之间进行确定性、低延迟的通信。

OPAL-RT 解决方案

该团队构建了一个外部主控制系统，该系统将OPAL-RT的实时计算能力与高速光通信相结合：

• 实时仿真器：OPAL-RT公司的OP5707XG用作外部控制器，运行通过自动代码生成直接从MATLAB/Simulink模型实现的一级和二级控制算法。
• 高速 SFP 通信：通过 16 个 SFP 光纤通道实现高达 5 Gbit 的通信，将转换器与仿真器连接起来——确保电磁抗扰度、电隔离和长距离传输能力。
• 转换器接口模块：一个由三个模块组成的定制转换器控制系统，负责ADC采集（电压/电流测量）、SFP数据封装与传输，以及用于IGBT开关的PWM信号生成。
• 超低延迟：整个控制回路——从传感器数据采集，到外部运算，再到PWM输出——均在约100 µs的控制周期内完成。

成果

该项目成功证明，外置主控是一种可行的电力电子技术范式：

• 经过验证的概念：证明了可以在不影响性能的情况下，通过外部实时仿真器在变流器外部可靠地执行主控制。
• 快速算法原型设计：无需对物理电力设备进行重新编程，即可通过 MATLAB/Simulink 即时部署新型控制算法——从而大幅加快研发迭代速度。
• 集中式多设备控制：单一的OPAL-RT平台负责管理多个换流器 的主要控制，从而减少了硬件冗余，并简化了系统架构。
• 行业认可：Velox-PS 的赞助证实了该产品的商业可行性，其应用领域涵盖定制化测试实验室、大功率电源、电能质量监测站以及牵引解决方案。

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