一種基于FPGA的高速電力電子實(shí)時(shí)仿真方法研究

陸臻業(yè)， 鄒毅軍， 王佳， 王志鵬， 郭茂派

(上?？屏盒畔⒐こ坦煞萦邢薰?，上海 200233)

一種基于FPGA的高速電力電子實(shí)時(shí)仿真方法研究

陸臻業(yè)， 鄒毅軍， 王佳， 王志鵬， 郭茂派

(上?？屏盒畔⒐こ坦煞萦邢薰?，上海 200233)

為了實(shí)現(xiàn)高速電力電子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真，提出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)的高速可重構(gòu)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。通過RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)以及配套的FPGA開發(fā)工具建立了基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)。在仿真算法上應(yīng)用修改節(jié)點(diǎn)分析法以及高速開關(guān)器件的普約維奇等效法，為大規(guī)模高速高精度實(shí)時(shí)仿真提供了可靠的運(yùn)行環(huán)境。為了驗(yàn)證系統(tǒng)有效性，利用基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)搭建了光伏逆變器測(cè)試系統(tǒng)，研究了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了FPGA高速電力電子仿真系統(tǒng)在光伏入網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真中的有效性及準(zhǔn)確性。

FPGA；高速電力電子仿真；實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)；RT-LAB; 光伏并網(wǎng)

0 引 言

在電力系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域，面向傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)的低頻電力電子仿真技術(shù)已經(jīng)趨于完善，主要運(yùn)用的是基于CPU的仿真技術(shù)?；贑PU軟件環(huán)境的仿真系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)單、成熟度高、低復(fù)雜度等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于針對(duì)大規(guī)模電網(wǎng)及傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真中。隨著智能電網(wǎng)的興起，大規(guī)模的電力電子設(shè)備被應(yīng)用于新能源并網(wǎng)、分布式電源及電能質(zhì)量?jī)?yōu)化等領(lǐng)域，同時(shí)電力電子系統(tǒng)開關(guān)頻率也隨之不斷提高。因此，隨著新一代的電網(wǎng)及輸配電系統(tǒng)發(fā)展，大量電力電子器件的引入以及更高的仿真頻率需求，對(duì)相應(yīng)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。基于CPU的仿真手段往往無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真[1]。

本文提出了一種基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。FPGA擁有大量硬件邏輯資源，可以實(shí)現(xiàn)并行運(yùn)算[2]，具備了高速實(shí)時(shí)仿真的能力。同時(shí)，運(yùn)用改進(jìn)的電力系統(tǒng)解算方法和開關(guān)器件等效手段，加快了仿真速度并且提高了仿真精度。并結(jié)合RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)以及對(duì)應(yīng)的FPGA開發(fā)工具，建立了基于FPGA的光伏并網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 FPGA仿真環(huán)境

FPGA仿真與傳統(tǒng)CPU仿真相比，具有更高的設(shè)計(jì)靈活性和更快的計(jì)算速度可以滿足高速實(shí)時(shí)仿真需求[3]，因此提出了一種基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)。

在FPGA中，包含大量可自由配置的硬件邏輯電路，開發(fā)者可以根據(jù)需求自由對(duì)FPGA內(nèi)部電路進(jìn)行修改以實(shí)現(xiàn)不同的功能；此外，F(xiàn)PGA是一種并行計(jì)算設(shè)備，可以快速有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算處理，為高速電力電子仿真提供了合適的環(huán)境。在信號(hào)處理方面，F(xiàn)PGA具有大量專用的硬件乘法器，運(yùn)算速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于CPU，使FPGA具備了實(shí)現(xiàn)高速電力電子仿真的能力。

同時(shí)FPGA具有可重構(gòu)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，大大增加了FPGA仿真的靈活性。可重構(gòu)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)FPGA全部或部分邏輯資源的功能變換[4-5]。通過可重構(gòu)技術(shù)，可以對(duì)被仿真電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由、靈活地修改，同時(shí)省去了對(duì)FPGA進(jìn)行二次開發(fā)的過程，大大縮減了系統(tǒng)開發(fā)周期和成本。具有可重構(gòu)技術(shù)的FPGA仿真系統(tǒng)可以靈活多變地實(shí)現(xiàn)各類型的高速電力電子仿真。

FPGA從硬件上提供了一種高速、靈活、可靠的電力電子系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真環(huán)境。

2 電力系統(tǒng)解算方法

計(jì)算機(jī)仿真通常使用節(jié)點(diǎn)分析法來解算電路，獲得電路的系統(tǒng)方程和導(dǎo)納矩陣。節(jié)點(diǎn)分析法在計(jì)算機(jī)運(yùn)算過程中伴隨著一些不足，不是一種最佳的分析方法。此外，在帶開關(guān)器件的電路中，開關(guān)狀態(tài)變化會(huì)影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，需要重新解算電路，耗費(fèi)大量時(shí)間。本文運(yùn)用了修改節(jié)點(diǎn)分析法[6]，同時(shí)對(duì)開關(guān)器件采取普約維奇等效[7]處理，避免了開關(guān)器件操作對(duì)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響，避免了導(dǎo)納矩陣的再計(jì)算，大大提升了仿真系統(tǒng)的運(yùn)算效率及精度。

2.1 修改節(jié)點(diǎn)分析法

修改節(jié)點(diǎn)分析法是傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分析法的一種延伸，和傳統(tǒng)節(jié)點(diǎn)法一樣可以分析電路節(jié)點(diǎn)電壓以及支路電流，同時(shí)也避免了節(jié)點(diǎn)法在分析帶有固定電壓器件電路時(shí)的難點(diǎn)。

以圖1所示電路為例，應(yīng)用修改結(jié)點(diǎn)法對(duì)其進(jìn)行分析和導(dǎo)納矩陣建立：

圖1 實(shí)際電路舉例

分析電路后聯(lián)立每個(gè)節(jié)點(diǎn)的方程：

va=V1

vc=V2

建立電力系統(tǒng)方程之后，可以得到以下形式的系統(tǒng)矩陣方程，直接獲得系統(tǒng)導(dǎo)納矩陣：

通過修改節(jié)點(diǎn)分析法獲得了高維度的導(dǎo)納矩陣，但是對(duì)于計(jì)算機(jī)來說計(jì)算矩陣的難度和耗時(shí)并不是很大。

2.2 普約維奇等效

普約維奇等效是本高速電力電子實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的重要環(huán)節(jié)。當(dāng)整個(gè)電力系統(tǒng)中含有逐段線性(PWL)器件，例如二極管、開關(guān)器件等等，利用普約維奇方法，將開關(guān)導(dǎo)通狀態(tài)等效成小電感，將開關(guān)斷開狀態(tài)等效成小電容[8]。在離散化仿真時(shí)，電感和電容都可以用電流源并聯(lián)電阻來等效。下面給出電感電容離散化計(jì)算過程：

電感離散化：

IL(t)=ILHistory(t-Δt)+GS·UL(t)

電容離散化

IC(t)=ICHistory(t-Δt)+GS·UC(t)

可見電感及電容離散化之后，都可以用電流源并聯(lián)電阻來表示，而電阻導(dǎo)納值在式中用Gs表示。

GS=Δt/2L=2C/Δt

通過這種方法可以將PWL器件等效成電阻與電流源并聯(lián)結(jié)構(gòu)電路進(jìn)行計(jì)算，避免開關(guān)狀態(tài)的變化對(duì)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響，避免了重復(fù)解算系統(tǒng)方程，大大地節(jié)省了解算系統(tǒng)矩陣花費(fèi)的時(shí)間、提高了效率，為高速電力電子系統(tǒng)仿真提供了可靠、高效的仿真環(huán)境。

3 FPGA仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文在對(duì)含有高速電力電子器件的系統(tǒng)進(jìn)行仿真時(shí)，通常將電力系統(tǒng)分為傳統(tǒng)低速電力系統(tǒng)部分，以及高速電力電子部分。對(duì)于傳統(tǒng)中低速大步長(zhǎng)電網(wǎng)部分，仍然使用基于CPU的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，而對(duì)于帶有電力電子器件的高速電力系統(tǒng)部分則使用基于FPGA的高速實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

本文基于以上分析建立了基于FPGA的高速電力電子實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)[9]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2描述了基于FPGA的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括：上位機(jī)監(jiān)控部分、CPU實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、FPGA實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)、I/O通信部分以及控制器部分；

上位機(jī)監(jiān)控部分負(fù)責(zé)模型控制及結(jié)果監(jiān)視等功能，由計(jì)算機(jī)或是工作站實(shí)現(xiàn)。CPU實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是整個(gè)仿真系統(tǒng)的基礎(chǔ)，負(fù)責(zé)CPU系統(tǒng)與FPGA之間通信管理。FPGA實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)部分，負(fù)責(zé)對(duì)高速電力電子電路進(jìn)行仿真；同時(shí)用于I/O通訊管理。配合I/O通訊部分連接外部硬件控制器，形成硬件在環(huán)結(jié)構(gòu)，組成了完整的高速電力電子實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)實(shí)施案例

4.1 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)平臺(tái)介紹

整個(gè)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)基于加拿大OPAL-RT公司開發(fā)的RT-LAB實(shí)時(shí)仿真平臺(tái)以及MATLAB/Simulink工具箱進(jìn)行開發(fā)，配合配置了xilinx/virtex6型號(hào)FPGA的仿真機(jī)OP5600，實(shí)現(xiàn)以CPU為基礎(chǔ)FPGA為核心的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。

4.2 光伏并網(wǎng)電路組成

本文采用兩級(jí)式光伏并網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立了光伏并網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)。光伏陣列輸出300 V直流電壓，接入BOOST升壓斬波電路進(jìn)行MPPT控制后，再通過三相T型逆變電路生成三相交流電，經(jīng)過升壓后接入電網(wǎng)。

圖3 BOOST升壓斬波電路

圖4 三相T型逆變器

如圖3所示為BOOST升壓斬波電路結(jié)構(gòu)圖。

如圖4所示為三相T型逆變電路結(jié)構(gòu)圖[10]。

4.3 實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文通過基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了光伏并網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，CPU仿真系統(tǒng)下搭建傳統(tǒng)電力系統(tǒng)模型，并利用RT-LAB提供的FPGA配置模塊(如圖5所示)對(duì)FPGA通訊以及仿真參數(shù)進(jìn)行配置[11]。

圖5 FPGA配置模塊

CPU仿真系統(tǒng)將光伏陣列輸出的直流電壓以及控制器計(jì)算出的控制脈沖信號(hào)發(fā)送給FPGA中的BOOST電路以及三電平逆變器電路，經(jīng)過FPGA運(yùn)算獲得逆變器交流側(cè)輸出電壓電流信號(hào)反饋給CPU系統(tǒng)并參與控制器的算法運(yùn)算更新控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)FPGA在環(huán)的實(shí)時(shí)仿真。

同時(shí)，在CPU系統(tǒng)中搭建了傳統(tǒng)電網(wǎng)模型如圖6所示。

FPGA配置模塊連接了相應(yīng)的BOOST電路以及三電平逆變電路[12-13]。對(duì)應(yīng)的模型如圖7和8所示，該模型將被置于FPGA中運(yùn)行：

圖6 電網(wǎng)模型

圖7 BOOST電路模型

圖8 光伏逆變電路模型

圖9 仿真系統(tǒng)實(shí)物圖

如圖9所示，為仿真系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)開發(fā)平臺(tái)實(shí)物。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過RT-LAB平臺(tái)的應(yīng)用，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)搭建了光伏入網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了基于FPGA的高速仿真系統(tǒng)。表1列出了光伏系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)列表。

表1 系統(tǒng)參數(shù)列表

根據(jù)仿真參數(shù)設(shè)定，模擬光伏陣列輸出電壓為300 V，經(jīng)過BOOST電流進(jìn)行升壓，占空比設(shè)置為0.7，控制脈沖頻率為48 kHz，模式為開環(huán)控制。結(jié)果如圖10所示。

圖10 BOOST電路輸出直流電壓

圖11 逆變器交流側(cè)電壓

圖12 逆變器輸出電流

圖13 實(shí)時(shí)仿真與離線仿真結(jié)果比較

測(cè)試結(jié)果為：BOOST輸出電壓十分接近1 000 V，經(jīng)過兩個(gè)相同電容分壓后電壓接近500 V。通過仿可見輸出電壓十分接近理論值。

逆變器交流側(cè)仿真結(jié)果如圖11～圖13所示。

圖11、圖12所示為三電平逆變器交流側(cè)輸出三相電壓以及三相電流。圖13為本系統(tǒng)仿真電流結(jié)果與Simulink仿真電流結(jié)果對(duì)比，十字符號(hào)描點(diǎn)為本系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真結(jié)果，實(shí)線為Simulink離線仿真結(jié)果。

可見，逆變器輸出電壓電流波形準(zhǔn)確的反映出控制器的電壓電流控制性能。并且由波形對(duì)比結(jié)果表明，本高速實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)與Simulink仿真工具具有相似的仿真結(jié)果，體現(xiàn)了基于FPGA的仿真系統(tǒng)的可行性、精確性以及實(shí)際算法的有效性。證明了本文設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)在實(shí)時(shí)仿真領(lǐng)域具有實(shí)際使用價(jià)值及意義。

圖14 電壓跌落波形

圖15 電壓恢復(fù)波形

同時(shí)，基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)支持對(duì)電網(wǎng)中的故障情況進(jìn)行模擬。試驗(yàn)中進(jìn)行了電壓跌落模擬，電壓跌落深度設(shè)定為80%波形如圖14、15所示，逆變器交流側(cè)發(fā)生電壓跌落故障的模擬結(jié)果：

總體的仿真結(jié)果反應(yīng)了基于FPGA的高速電力電子實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的有效性及精確性。本系統(tǒng)具備實(shí)現(xiàn)高速高精度電力電子實(shí)時(shí)仿真的能力，以及具備對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬的能力。體現(xiàn)了本仿真系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文利用RT-LAB平臺(tái)搭建了基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)。并以修改節(jié)點(diǎn)法和普約維奇開關(guān)等效方法奠定了仿真運(yùn)算的基礎(chǔ)，為FPGA仿真系統(tǒng)提供了一個(gè)高效可靠的平臺(tái)。同時(shí)搭建了整套的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)，包含了核心的FPGA仿真系統(tǒng)、基礎(chǔ)的CPU仿真系統(tǒng)、上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以及I/O通訊系統(tǒng)。最后，以光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為例，建立基于FPGA的光伏并網(wǎng)測(cè)試系統(tǒng)，由FPGA高速仿真系統(tǒng)對(duì)BOOST電路以及光伏逆變器進(jìn)行模擬。

經(jīng)過實(shí)際系統(tǒng)仿真驗(yàn)證，不僅證明了系統(tǒng)的可行性，并且通過結(jié)果分析驗(yàn)證了本系統(tǒng)的有效性以及精確性。本方法提供了良好的高速電力電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)，為新一代高速電力電子系統(tǒng)提供了優(yōu)秀的開發(fā)測(cè)試平臺(tái)。

[1] 黃蘇融,史奇元,劉暢.基于現(xiàn)場(chǎng)可編輯門陣列永磁同步電機(jī)的硬件在環(huán)實(shí)時(shí)仿真測(cè)試技術(shù)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010,37(9):1673-6540.

[2] 王成山,丁承第,李鵬.基于FPGA的配電網(wǎng)暫態(tài)實(shí)時(shí)仿真研究(二)：系統(tǒng)構(gòu)架與算例驗(yàn)證[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,24(9):0258-8013.

[3] 鄒毅軍,王志鵬,戈華嶺.FPGA實(shí)現(xiàn)電力電子控制系統(tǒng)高速通訊仿真裝置: 203433313 U[P].2014-02-12.

[4] 覃祥菊,朱明程,張?zhí)?FPGA動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方法分析[J].電子器件,2004, 27(2):1005-9490.

[5] DRAHONOVSKY T,ROZKOVEC M,NOVAK O. A highly flexible reconfigurable system on a Xilinx FPGA. ReConFigurable Computing and FPGAs (ReConFig)[J].International Conference,2014, 978-1-4799-5943-3.

[6] HO,RUEHLI, BRENNAN.The modified nodal approach to network analysis[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems, 1975,22(6):504-509.

[7] PEJOVIC P, MAKSIMOVIC D.A new algorithm for simulation of power electronic systems using piecewise-linear device models[J].Power Electronics, IEEE Transactions,1995,10(3):340-348.

[8] P PEJOVIC, D MAKSIMOVIC.A method for fast time-domain simulation of networks with switches. Power Electronics[J]. IEEE Transactions,1994,9(4):340-348.

[9] 許為,應(yīng)婷,李衛(wèi)紅.電力電子半實(shí)物仿真技術(shù)及其發(fā)展[J].大功率變流技術(shù),2014,36(6):1-5.

[10] 童鳴庭.三相T型三電平非隔離并網(wǎng)逆變器的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[11] 鄭鶴玲,葛寶明,畢大強(qiáng).基于RT-LAB的光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真[J].電工電能新技術(shù), 2010,29(4):1003-3076.

[12] 程軍照,吳夕科,李澎森. 采用Boost的兩級(jí)式光伏發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)[J].高電壓技術(shù), 2009, 35(8): 2048-2051.

[13] 王若醒,吳迎霞,楊恢宏.兩級(jí)式T型三電平光伏逆變器的關(guān)鍵技術(shù)研究及實(shí)現(xiàn)[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2015,43(4):1674-3415.

A Research of High-speed Power Electronics Real-time Simulation Method Based on FPGA

Lu Zhenye，Zou Yijun，Wang Jia，Wang Zhipeng，Guo Maopai

(Keliang Information Tech. & Eng. Co. Ltd., Shanghai 200233, China)

In order to realize the high-speed real-time power electronics simulation system, this paper presents an FPGA based conception of high-speed and reconfigurable real-time system. Cooperated with RT-LAB platform and FPGA development tools, the high-speed simulation system based on FPGA was established. Cooperated with the modified node analysis method and the Pejovic method, afford a reliable operating environment to the high-speed and high-precision real-time simulation. The results proved the validity and the veracity of the FPGA high-speed hardware system.

FPGA; high-speed simulation of power electronics; real-time simulation; RT-LAB; grid-connected

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.006

TP311

A

1000-3886(2016)05-0018-04

陸臻業(yè)(1990-)，男，上海人，碩士，系統(tǒng)控制自動(dòng)化專業(yè)。

定稿日期: 2016-01-29