[发明专利]基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种光伏电池模型设计。特别是涉及一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法。

背景技术

太阳能光伏发电又称为光伏电池，光伏电池具有结构简单、体积小、清洁无噪声、可靠性高、寿命长等优点，近年来发展十分迅速。按照采用的材料不同，光伏电池可分为硅型光伏电池、化合物光伏电池、有机半导体光伏电池等多种。目前，硅型光伏电池应用最为广泛，这种电池又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜光伏电池等。其中，单晶和多晶硅光伏电池光电转换效率较高；非晶硅薄膜光伏电池虽然光电转换效率相对较低，但由于具备其他一些优点近年来应用得也日益广泛。从光伏电池的技术发展现状看，硅型光伏电池在今后相当长的一段时间内将是太阳能光伏电池的主流。

由于光伏电池单体输出电压和输出电流都很低，功率也较小，为此需将光伏电池串、并联构成光伏模块，其输出电压可提高到十几至几十伏；光伏模块又可经串、并联后得到光伏阵列，进而获得更高的输出电压和更大的输出功率。光伏发电系统的实际电源一般就是指光伏阵列，它是一种直流电源。在实时仿真中，针对光伏电池的详细建模往往涉及较多的非线性函数，其运算较为复杂，影响着光伏发电单元的计算效率以及数字仿真的实时性。而基于现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array，FPGA)的全硬件计算为光伏电池建模和实时仿真提供了一种新思路。

FPGA本质上具有完全可配置的固有硬件并行结构，其逻辑资源可配置为很多并行处理单元并实现多层级高度并行计算；同时，FPGA芯片上具有大量嵌入式块RAM，可配置为大量分布式ROM或RAM，其数据和地址宽度、端口数量皆可配置，而传统实时仿真器中内存和总线大多是共享的，且端口有限，限制了数据的传输效率；FPGA允许使用流水线技术，加强了数据处理效率，并且，FPGA还拥有大量传输速度极快的内部连线，不会引入过大的通讯延迟。

因此基于FPGA的实时仿真系统允许更快的计算速度和更小的计算步长，可以为实时仿真中对于步长有要求严格的部分提供速度和精度支持，体积小巧，在开发周期与成本上也更具优势；而且考虑到传统实时仿真器的模型与算法等内容基本上不对用户开放，进一步研究开发准确、高效的仿真算法不大可能。相比之下，基于FPGA的实时仿真器具有可开发性、可拓展性，能够为控制、保护策略的研究，新设备调试等提供测试平台。

在基于FPGA的实时仿真中，需要充分发挥FPGA的计算能力才能满足光伏电池实时仿真的计算能力需求。为此，本发明提出了一种光伏电池的实时仿真FPGA模型设计方法，该设计方法能够充分发挥FPGA硬件并行性以及流水线架构的技术优势，在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算，为基于较小的仿真步长的光伏发电系统的实时仿真奠定了基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，包括如下步骤：

1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，光伏电池模型计算公式为其中，I_ph为光生电流源电流，I_s是二极管饱和电流，q为电子电量，k是玻尔兹曼常数，T为光伏电池工作的绝对温度值，n是二极管特性拟合系数，R_s和R_sh分别为表示光伏电池损耗的电阻，I是光伏电池输出电流，V是光伏电池输出电压，对于光伏电池的建模应将模型划分为电气系统和控制系统两部分，其中电气系统包括模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的受控电流源以及模拟光伏电池内部损耗的电阻R_s和R_sh，控制系统实现光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的具体计算；

2)由于模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的受控电流源处于并联关系，计算相互独立，因此将模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d设置为第一系统和第二系统，在FPGA中开辟独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算；

3)针对作为第一系统的光生电流源电流I_ph进行计算，I_ph的计算公式为：