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的高速電力電子實時仿真方法研究

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)

為了實現(xiàn)高速電力電子系統(tǒng)的實時仿真，提出了一種基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的高速可重構實時仿真系統(tǒng)設計方法。通過RT-LAB實時仿真平臺以及配套的FPGA開發(fā)工具建立了基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)。在仿真算法上應用修改節(jié)點分析法以及高速開關器件的普約維奇等效法，為大規(guī)模高速高精度實時仿真提供了可靠的運行環(huán)境。為了驗證系統(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試系統(tǒng)，研究了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運行狀態(tài)。仿真結果驗證了FPGA高速電力電子仿真系統(tǒng)在光伏入網(wǎng)系統(tǒng)實時仿真中的有效性及準確性。

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

0 引 言

在電力系統(tǒng)實時仿真領域，面向傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)的低頻電力電子仿真技術已經(jīng)趨于完善，主要運用的是基于CPU的仿真技術?；贑PU軟件環(huán)境的仿真系統(tǒng)具有操作簡單、成熟度高、低復雜度等優(yōu)點，被廣泛用于針對大規(guī)模電網(wǎng)及傳統(tǒng)輸配電系統(tǒng)的實時仿真中。隨著智能電網(wǎng)的興起，大規(guī)模的電力電子設備被應用于新能源并網(wǎng)、分布式電源及電能質(zhì)量優(yōu)化等領域，同時電力電子系統(tǒng)開關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，對相應的實時仿真系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。基于CPU的仿真手段往往無法實現(xiàn)實時仿真[1]。

本文提出了一種基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)設計方法。FPGA擁有大量硬件邏輯資源，可以實現(xiàn)并行運算[2]，具備了高速實時仿真的能力。同時，運用改進的電力系統(tǒng)解算方法和開關器件等效手段，加快了仿真速度并且提高了仿真精度。并結合RT-LAB實時仿真平臺以及對應的FPGA開發(fā)工具，建立了基于FPGA的光伏并網(wǎng)測試系統(tǒng)進行驗證。

1 FPGA仿真環(huán)境

FPGA仿真與傳統(tǒng)CPU仿真相比，具有更高的設計靈活性和更快的計算速度可以滿足高速實時仿真需求[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FPGA內(nèi)部電路進行修改以實現(xiàn)不同的功能；此外，F(xiàn)PGA是一種并行計算設備，可以快速有效地進行數(shù)據(jù)計算處理，為高速電力電子仿真提供了合適的環(huán)境。在信號處理方面，F(xiàn)PGA具有大量專用的硬件乘法器，運算速度遠遠高于CPU，使FPGA具備了實現(xiàn)高速電力電子仿真的能力。

同時FPGA具有可重構的技術優(yōu)勢，大大增加了FPGA仿真的靈活性?？芍貥嫾夹g以實現(xiàn)FPGA全部或部分邏輯資源的功能變換[4-5]。通過可重構技術，可以對被仿真電力系統(tǒng)的結構進行自由、靈活地修改，同時省去了對FPGA進行二次開發(fā)的過程，大大縮減了系統(tǒng)開發(fā)周期和成本。具有可重構技術的FPGA仿真系統(tǒng)可以靈活多變地實現(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)實時仿真環(huán)境。

2 電力系統(tǒng)解算方法

計算機仿真通常使用節(jié)點分析法來解算電路，獲得電路的系統(tǒng)方程和導納矩陣。節(jié)點分析法在計算機運算過程中伴隨著一些不足，不是一種最佳的分析方法。此外，在帶開關器件的電路中，開關狀態(tài)變化會影響系統(tǒng)結構，需要重新解算電路，耗費大量時間。本文運用了修改節(jié)點分析法[6]，同時對開關器件采取普約維奇等效[7]處理，避免了開關器件操作對電力系統(tǒng)結構的影響，避免了導納矩陣的再計算，大大提升了仿真系統(tǒng)的運算效率及精度。

2.1 修改節(jié)點分析法

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

以圖1所示電路為例，應用修改結點法對其進行分析和導納矩陣建立：

圖1 實際電路舉例

分析電路后聯(lián)立每個節(jié)點的方程：

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)導納矩陣：

通過修改節(jié)點分析法獲得了高維度的導納矩陣，但是對于計算機來說計算矩陣的難度和耗時并不是很大。

2.2 普約維奇等效

普約維奇等效是本高速電力電子實時仿真系統(tǒng)設計方法中的重要環(huán)節(jié)。當整個電力系統(tǒng)中含有逐段線性(PWL)器件，例如二極管、開關器件等等，利用普約維奇方法，將開關導通狀態(tài)等效成小電感，將開關斷開狀態(tài)等效成小電容[8]。在離散化仿真時，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)結構電路進行計算，避免開關狀態(tài)的變化對電力系統(tǒng)結構的影響，避免了重復解算系統(tǒng)方程，大大地節(jié)省了解算系統(tǒng)矩陣花費的時間、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)設計

本文在對含有高速電力電子器件的系統(tǒng)進行仿真時，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。對于傳統(tǒng)中低速大步長電網(wǎng)部分，仍然使用基于CPU的實時仿真系統(tǒng)，而對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的高速實時仿真系統(tǒng)。

本文基于以上分析建立了基于FPGA的高速電力電子實時仿真系統(tǒng)[9]。系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 仿真系統(tǒng)結構

圖2描述了基于FPGA的實時仿真系統(tǒng)結構，包括：上位機監(jiān)控部分、CPU實時仿真系統(tǒng)、FPGA實時仿真系統(tǒng)、I/O通信部分以及控制器部分；

上位機監(jiān)控部分負責模型控制及結果監(jiān)視等功能，由計算機或是工作站實現(xiàn)。CPU實時仿真系統(tǒng)是整個仿真系統(tǒng)的基礎，負責CPU系統(tǒng)與FPGA之間通信管理。FPGA實時仿真系統(tǒng)部分，負責對高速電力電子電路進行仿真；同時用于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)結構，組成了完整的高速電力電子實時仿真系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)實施案例

4.1 實時仿真系統(tǒng)平臺介紹

整個實時仿真系統(tǒng)基于加拿大OPAL-RT公司開發(fā)的RT-LAB實時仿真平臺以及MATLAB/Simulink工具箱進行開發(fā)，配合配置了xilinx/virtex6型號FPGA的仿真機OP5600，實現(xiàn)以CPU為基礎FPGA為核心的實時仿真系統(tǒng)。

4.2 光伏并網(wǎng)電路組成

本文采用兩級式光伏并網(wǎng)拓撲結構建立了光伏并網(wǎng)測試系統(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升壓斬波電路結構圖。

如圖4所示為三相T型逆變電路結構圖[10]。

4.3 實時仿真系統(tǒng)實現(xiàn)

本文通過基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)實現(xiàn)了光伏并網(wǎng)測試系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)設計，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FPGA通訊以及仿真參數(shù)進行配置[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算出的控制脈沖信號發(fā)送給FPGA中的BOOST電路以及三電平逆變器電路，經(jīng)過FPGA運算獲得逆變器交流側輸出電壓電流信號反饋給CPU系統(tǒng)并參與控制器的算法運算更新控制信號，實現(xiàn)FPGA在環(huán)的實時仿真。

同時，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的BOOST電路以及三電平逆變電路[12-13]。對應的模型如圖7和8所示，該模型將被置于FPGA中運行：

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)實物圖

如圖9所示，為仿真系統(tǒng)上位機與下位機開發(fā)平臺實物。

5 實驗結果

通過RT-LAB平臺的應用，根據(jù)系統(tǒng)設計搭建了光伏入網(wǎng)系統(tǒng)，實現(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)設定，模擬光伏陣列輸出電壓為300 V，經(jīng)過BOOST電流進行升壓，占空比設置為0.7，控制脈沖頻率為48 kHz，模式為開環(huán)控制。結果如圖10所示。

圖10 BOOST電路輸出直流電壓

圖11 逆變器交流側電壓

圖12 逆變器輸出電流

圖13 實時仿真與離線仿真結果比較

測試結果為：BOOST輸出電壓十分接近1 000 V，經(jīng)過兩個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。

逆變器交流側仿真結果如圖11～圖13所示。

圖11、圖12所示為三電平逆變器交流側輸出三相電壓以及三相電流。圖13為本系統(tǒng)仿真電流結果與Simulink仿真電流結果對比，十字符號描點為本系統(tǒng)實時仿真結果，實線為Simulink離線仿真結果。

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

圖14 電壓跌落波形

圖15 電壓恢復波形

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

總體的仿真結果反應了基于FPGA的高速電力電子實時仿真系統(tǒng)的有效性及精確性。本系統(tǒng)具備實現(xiàn)高速高精度電力電子實時仿真的能力，以及具備對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行模擬的能力。體現(xiàn)了本仿真系統(tǒng)的實際應用價值。

6 結束語

本文利用RT-LAB平臺搭建了基于FPGA的高速電力電子仿真系統(tǒng)。并以修改節(jié)點法和普約維奇開關等效方法奠定了仿真運算的基礎，為FPGA仿真系統(tǒng)提供了一個高效可靠的平臺。同時搭建了整套的實時仿真系統(tǒng)，包含了核心的FPGA仿真系統(tǒng)、基礎的CPU仿真系統(tǒng)、上位機監(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)測試系統(tǒng)，由FPGA高速仿真系統(tǒng)對BOOST電路以及光伏逆變器進行模擬。

經(jīng)過實際系統(tǒng)仿真驗證，不僅證明了系統(tǒng)的可行性，并且通過結果分析驗證了本系統(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，為新一代高速電力電子系統(tǒng)提供了優(yōu)秀的開發(fā)測試平臺。

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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)控制自動化專業(yè)。

定稿日期: 2016-01-29