[发明专利]一种面向电力电子化系统实时仿真的FPGA设计方法

说明书

一种面向电力电子化系统实时仿真的FPGA设计方法，包括：在离线环境下，搭建电力电子化系统仿真算例，包括m个电力电子设备，读取电气元件参数，形成电气系统动态方程；在离线环境下，计算增广状态矩阵，计算增广状态矩阵恒定状态转移矩阵、变化参数矩阵和输出参数矩阵，并存入FPGA实时仿真器中；设置初始启动FPGA实时仿真器；判断电力电子设备开关状态；同时，FPGA实时仿真器进行控制系统仿真计算得到电力电子开关控制信号；判断仿真时刻是否达到设定的仿真终了时刻，如达到设定的仿真终了时刻，则仿真结束。本发明解决了电力电子设备带来的系统拓扑时变问题，为电力电子化系统实时仿真提供了一种新的实现方法。

技术领域

本发明涉及一种FPGA设计方法。特别是涉及一种面向电力电子化系统实时仿真的FPGA设计方法。

背景技术

随着经济和技术的发展，现代社会对于能源的需求不断增加。化石燃料的大规模开发利用，使能源枯竭、环境污染、气候恶化等问题愈发严峻。能源行业低碳化转型，离不开可再生能源技术，可再生能源通常需要通过电力电子设备接入电力系统。可再生能源的大量接入使我国电力系统呈现高比例电力电子的特征。电力电子设备通常具有动作频率高、响应速度快、惯量低的特点。传统电力系统向有“双高”特性的新型电力系统发展的过程，也是电力系统动态特性复杂化的过程。对电力电子系统动态特性的研究，仅使用离线仿真是不够的。实时仿真技术是指仿真时间与现实时钟完全同步的数字仿真技术，可以真实地模拟实际的物理系统，在数字物理融合仿真和硬件在环测试等领域有不可替代的作用。

双电阻模型和恒导纳模型是常用的电力电子实时仿真模型。双电阻模型需要在每一个开关动作的时步更新系统矩阵，当仿真规模较大时，仿真实时性难以保证。另一种应用方法是采用预存矩阵的方式，在离线状态下生成所有可能的参数矩阵并预存至实时仿真器中。但当电力电子开关数量增加时，需要预存矩阵数量指数级增加，对仿真器存储能力提出较高要求。为避免系统矩阵随开关动作改变，可以使用恒导纳模型，即以电感模拟开关导通状态，电容电阻串联模拟开关关断状态，并通过调整电感、电容和电阻值，使不同状态下开关有相同的等效电导，保证系统矩阵保持不变。但恒导纳模型中的虚拟电感和电容可能会引起支路电压或电流振荡，当开关状态切换时，虚拟元件能量损失导致换流器稳态虚拟损耗增加，同时，恒导纳模型需要根据外电路运行状态调整参数，增加了该模型实际应用的难度。基于矩阵指数积分方法的实时仿真方法，允许采用矩阵分解法将系统矩阵分解为恒定矩阵和时变稀疏矩阵两部分，在电力电子开关状态改变时，仅需要更新稀疏矩阵，从而避免储存数据矩阵或使用等效模型，能够获得较好的计算效率和仿真精度。

高效电力电子实时仿真不仅需要高效的仿真方法，还需要使用适合大规模快速计算的底层硬件。现阶段，RTDS、ADPSS-STS、eMEGAsim、HYPERSIM和NETOMAC等商业化的实时仿真器已经在电力系统实时仿真领域得到了广泛的应用。这些商业实时仿真系统以串行处理器为主要的底层硬件，随着电力电子技术在电网中的应用，传统的实时仿真系统面临计算和存储能力的挑战。FPGA是具有高度并行硬件特性、分布式内存和流水线架构的可编程逻辑器件，能够胜任小步长下的实时仿真计算任务，因而新型实时仿真研究多以FPGA为底层硬件。此外，FPGA硬件并行特性能够充分发挥矩阵指数积数值计算并行程度高的优势。结合FPGA高度并行、流水线式硬件特征和矩阵指数法计算数值特征，设计以FPGA为底层硬件的实时仿真系统，是电力电子实时仿真一种新的解决方案。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种面向电力电子化系统实时仿真的FPGA设计方法。

本发明所采用的技术方案是：一种面向电力电子化系统实时仿真的FPGA设计方法，包括如下步骤：