[发明专利]一种基于FPGA的电力电子元件实时仿真组合建模方法

摘要

一种基于FPGA的电力电子元件实时仿真组合建模方法。其包括在离线环境下，采用电气系统基本元件对电力系统进行建模；设定电气系统实时仿真步长为Δt；针对由可关断器件和二极管组成的并联电路建立组合模型；将参数上传至在线仿真环境；在在线环境下开始仿真；可关断器件和二极管的状态判断；可关断器件和二极管历史量计算；计算各节点电压；计算可关断器件和二极管的本时步支路电流；判断仿真时间是否达到仿真终了等步骤。本发明所建立的模型可将多种可控电力电子器件与二极管进行组合建模，形成单个元件，提高了电力电子元件建模的通用性，并有效降低了电力电子元件的数量，可在保证仿真精度的前提下提高实时仿真中电力电子元件的处理速度。

主权项

一种基于FPGA的电力电子元件实时仿真组合建模方法，其特征在于：所述的基于FPGA的电力电子元件实时仿真组合建模方法包括按顺序进行的下列步骤：第一步：在离线环境下，采用电气系统基本元件对电力系统进行建模，读取基本无源元件、线路元件、电源元件、断路器元件、电力电子元件的基本参数信息和拓扑连接关系，根据实时仿真器中电气系统的整体求解框架、上述各类基本元件的处理方式及矩阵求解方式，计算电气系统进行一个时步解算所需的时钟周期数ne，根据FPGA的驱动时钟频率f以及电气系统时钟周期数ne，计算电气系统所对应的每一时步仿真所需的计算时间te，其中te＝ne/f；第二步：在离线环境下，设定电气系统实时仿真步长为Δt，并且te≤Δt；第三步：在离线环境下，根据上述选定的电气系统实时仿真步长Δt，针对由IGBT、GTO和MOSFET在内的可关断器件和二极管D组成的并联电路建立组合模型，利用传统的小步长开关模型确定可关断器件以及二极管D闭合时的电感Lf和Ld，进而确定两者的等效电导Gf和Gd，以及断开时的电容Cf、Cd和电阻Rf、Rd，两者的开关初始状态设置为断开；第四步：在离线环境下，根据上述选定的电气系统实时仿真步长Δt，计算第一步中所述的基本无源元件、线路元件、电源元件、断路器元件的等效电导、历史项电流源、更新计算参数，计算节点导纳矩阵逆矩阵，将计算出的等效电导、历史项电流源、更新计算参数、导纳矩阵逆矩阵、第三步中的等效电导Gf和Gd以及第一步中所述的基本无源元件、线路元件、电源元件、断路器元件、电力电子元件的基本参数信息和拓扑连接关系上传至在线仿真环境；第五步：在在线环境下，设置仿真时刻t＝0；第六步：开始下一时步的仿真，令t＝t+Δt；第七步：对于可关断器件，若其上一时步处于关断状态，则检测其控制信号、上一时步端电压以及上一时步二极管D的导通状态，当控制信号为“1”且端电压达到导通电压且上一时步二极管D处于关断状态，则置第一步中所述的可关断器件处于导通状态，将其表示为电感Lf，若不满足，则可关断器件仍为关断状态，将其表示为电容Cf和电阻Rf的串联电路；同时，对于二极管D，若其上一时步处于关断状态，检测其端电压以及上一时步可关断器件的导通状态，当端电压达到导通电压且上一时步可关断器件处于关断状态，则置二极管D处于导通状态，将其表示为电感Ld，若不满足，则二极管D仍为关断状态，将其表示为电容Cd和电阻Rd的串联电路；其中，所述的可关断器件和二极管D的状态判断是采用并行方式加以实现的；第八步：分别针对可关断器件和二极管D进行历史量hist计算；第九步：电气系统进行一个时步计算，计算各节点电压；第十步：分别计算可关断器件和二极管D的本时步的支路电流，若对应状态为导通状态，则支路电流计算公式为若对应状态为关断状态，则支路电流计算公式为式中等效导纳u(t)表示本时步计算出的端电压；第十一步：对于可关断器件，若其本时步处于导通状态，则检测其控制信号、本时步支路电流，当控制信号为“0”或支路电流小于截止电流，则置可关断器件为关断状态，若不满足，则置可关断器件为导通状态；同时，对于二极管D，若本时步处于导通状态，则检测其本时步支路电流，当支路电流小于截止电流，则置二极管D处于关断状态，若不满足，则置二极管D为导通状态；第十二步：判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束；否则返回第六步。