一種基于fpga的電力電子仿真系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及仿真技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列）的電力 電子仿真系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前在電力系統(tǒng)實時仿真領(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，主要運用的是基于CPU(central processing unit，中央處理器）的仿真系統(tǒng)。 基于CPU的這種軟件環(huán)境的仿真系統(tǒng)具有操作簡單、成熟度高、低復(fù)雜度等優(yōu)點。如今，基 于CPU的仿真系統(tǒng)已經(jīng)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。
[0003] 隨著智能電網(wǎng)的興起，大規(guī)模的電力電子被應(yīng)用于新能源并網(wǎng)、分布式電源及電 能質(zhì)量優(yōu)化等領(lǐng)域。由于大規(guī)模電力電子器件的引入，電力系統(tǒng)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、更高的仿真頻率、大 量規(guī)模的短距離傳輸線路對相應(yīng)的實時仿真系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。實時仿真系統(tǒng)需要具備 1微妙級甚至納秒級的仿真步長以及更小的通訊延遲。
[0004] 然而，基于CPU的仿真系統(tǒng)由于硬件構(gòu)架、串行執(zhí)行機制等原因無法實現(xiàn)小步長 的高速實時仿真，同時會伴隨較大的通訊延時，因此基于CPU的仿真系統(tǒng)無法實現(xiàn)面向智 能電網(wǎng)的電力電子實時仿真。
[0005] 另外，電力系統(tǒng)實時仿真的基本解算方法為節(jié)點分析法，此方法可以針對每個節(jié) 點的電壓和每條支路的電流進行計算。采用節(jié)點分析法可以建立電力電子系統(tǒng)的導(dǎo)納矩 陣，但是，一旦電路的狀態(tài)發(fā)生變化，比如，開關(guān)狀態(tài)改變，就要對系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣進行重新 解算，時間成本較高，降低了仿真速度。
[0006] 而且，伴隨著電力電子系統(tǒng)規(guī)模的擴大，會遇到依靠仿真資源無法滿足相應(yīng)數(shù)量 的電力電子器件的情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明解決的問題在于提供一種基于FPGA的電力電子仿真系統(tǒng)及方法，可以避 免每次開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化后都要重新計算系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣，節(jié)約仿真時間，提高仿真效率。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施方式提供了一種基于FPGA的電力電子仿真 方法，應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)，所述基于FPGA的電力電子仿真方法包含以下步驟：
[0009] 將所述電力電子系統(tǒng)的電路模型下載到FPGA模塊中；
[0010] 聯(lián)立所述電路模型中每個節(jié)點的電壓電流方程得到所述電力電子系統(tǒng)的導(dǎo)納矩 陣；其中，所述導(dǎo)納矩陣的維度不隨所述電力電子系統(tǒng)的電路中開關(guān)狀態(tài)的改變而改變； [0011] 若所述電力電子系統(tǒng)的電路模型中的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，則更新所述導(dǎo)納矩陣中 與狀態(tài)改變的開關(guān)對應(yīng)的參數(shù)；
[0012] 根據(jù)更新的導(dǎo)納矩陣，解算所述電力電子系統(tǒng)的電路模型中的狀態(tài)參數(shù)，對所述 電力電子系統(tǒng)進行仿真。
[0013] 本發(fā)明的實施方式還提供了一種基于FPGA的電力電子仿真系統(tǒng)，應(yīng)用于電力電 子系統(tǒng)仿真，包含：上位機與FPGA模塊；
[0014] 所述上位機與所述FPGA模塊連接；
[0015] 所述上位機包含模型建立模塊與下載模塊；所述模型建立模塊與所述下載模塊連 接；
[0016] 所述模型建立模塊，用于建立所述電力電子系統(tǒng)的電路模型，將通所述下載模塊 將所述電路模型并下載到所述FPGA模塊中；
[0017] 所述FPGA模塊包含解算子模塊與判斷子模塊；
[0018] 所述解算子模塊，用于聯(lián)立所述電路模型中每個節(jié)點的電壓電流方程得到所述電 力電子系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣；其中，所述導(dǎo)納矩陣的維度不隨所述電力電子系統(tǒng)的電路中開關(guān) 狀態(tài)的改變而改變；
[0019] 所述判斷子模塊，用于判斷所述電力電子系統(tǒng)的電路模型中的開關(guān)狀態(tài)是否發(fā)生 變化；若是，則觸發(fā)所述解算模塊更新所述導(dǎo)納矩陣中與狀態(tài)改變的開關(guān)對應(yīng)的參數(shù)；
[0020] 所述解算子模塊，還用于根據(jù)更新的導(dǎo)納矩陣，解算所述電力電子系統(tǒng)的電路模 型中的狀態(tài)參數(shù)，對所述電力電子系統(tǒng)進行仿真。
[0021] 本發(fā)明實施方式相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，是聯(lián)立電力電子系統(tǒng)的電路模型中每個節(jié) 點的電壓電流方程得到電力電子系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣，該導(dǎo)納矩陣的維度不隨電力電子系統(tǒng)的 電路中開關(guān)狀態(tài)的改變而改變，而且，在電力電子系統(tǒng)的電路模型中的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化 時，只需要更新導(dǎo)納矩陣中與狀態(tài)改變的開關(guān)對應(yīng)的參數(shù)即可，而不需要重新解算電力電 子系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣，節(jié)約了仿真時間，提高了仿真效率。
[0022] 另外，在將所述電力電子系統(tǒng)的電路模型下載到FPGA模塊中的步驟中，將所述電 力電子系統(tǒng)的電路模型劃分為N個電路子模型，并分別下載到N個FPGA模塊中；其中，N 為大于1的自然數(shù)，相鄰兩個FPGA模塊通過信號級信號耦合鏈接；在聯(lián)立所述電路模型中 每個節(jié)點的電壓電流方程得到所述電力電子系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣的步驟中，獲取N個子導(dǎo)納矩 陣；其中，所述N個子導(dǎo)納矩陣與N個電路子模型一一對應(yīng)；在若所述電力電子系統(tǒng)的電路 模型中的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，則更新所述導(dǎo)納矩陣中與狀態(tài)改變的開關(guān)對應(yīng)的參數(shù)的步驟 中，若所述子電路模型中的開關(guān)狀態(tài)發(fā)生變化，則更新該子電路模型的子導(dǎo)納矩陣中狀態(tài) 改變的開關(guān)對應(yīng)的參數(shù)；在所述根據(jù)更新的導(dǎo)納矩陣，通過解算所述電力電子系統(tǒng)的電路 中的狀態(tài)參數(shù)，對所述電力電子系統(tǒng)進行仿真的步驟中，根據(jù)更新的子導(dǎo)納矩陣，解算所述 電力電子系統(tǒng)的電路模型中的狀態(tài)參數(shù)，對所述電力電子系統(tǒng)進行仿真。由N個FPGA模塊 聯(lián)合對一個電力電子系統(tǒng)進行仿真，可以避免由一個FPGA模塊無法完成仿真的情況，同時 可以減少計算量，節(jié)約仿真時間。
【附圖說明】
[0023] 圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的基于FPGA的電力電子仿真方法流程圖；
[0024] 圖2是根據(jù)本發(fā)明第一實施方式中的電力電子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025] 圖3是根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的基于FPGA的電力電子仿真方法流程圖；
[0026] 圖4是根據(jù)本發(fā)明第二實施方式中的電感示意圖；
[0027] 圖5是根據(jù)本發(fā)明第二實施方式中的等效電感模型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖6是根據(jù)本發(fā)明第二實施方式中的離散化等效電感模型的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029] 圖7是根據(jù)本發(fā)明第三實施方式的基于FPGA的電力電子仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；
[0030] 圖8是根據(jù)本發(fā)明第四實施方式的基于FPGA的電力電子仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實施方式】
[0031] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的各實 施方式進行詳細的闡述。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，在本發(fā)明各實施方式中， 為了使讀者更好地理解本申請而提出了許多技術(shù)細節(jié)。但是，即使沒有這些技術(shù)細節(jié)和基 于以下各實施方式的種種變化和修改，也可以實現(xiàn)本申請各權(quán)利要求所要求保護的技術(shù)方 案。
[0032] 本發(fā)明的第一實施方式涉及一種基于FPGA的電力電子仿真方法，應(yīng)用于電力電 子系統(tǒng)仿真，具體流程如圖1所示，包含以下步驟：
[0033] 步驟101，將電力電子系統(tǒng)的電路模型下載到FPGA模塊中。具體地說，是利用上位 機根據(jù)待仿真的電力電子系統(tǒng)進行建模，創(chuàng)建電力電子系統(tǒng)的電路模型，并將創(chuàng)建的電力 電子系統(tǒng)的電路模型下載到FPGA模塊，其中，F(xiàn)PGA模塊具體可以是FPGA板。
[0034] 步驟102,聯(lián)立電路模型中每個節(jié)點的電壓電流方程得到電力電子系統(tǒng)的導(dǎo)納矩 陣。其中，導(dǎo)納矩陣的維度不隨所述電力電子系統(tǒng)的電路中開關(guān)狀態(tài)的改變而改變。
[0035] 具體地說，在本步驟中，采用改進的節(jié)點法通過聯(lián)立整個電力電子系統(tǒng)中每個節(jié) 點的電壓電流方程來得到整個電力電子系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣。其中，該導(dǎo)納矩陣的維度會較結(jié) 點法所得的系統(tǒng)矩陣維度要大，但是，在算法上更容易植入FPGA模塊中的解算器中，以便 處理器對系統(tǒng)矩陣進行自動化的解析。
[0036] 下面以一個簡單電力電子系統(tǒng)為例進行說明。如圖2所示，該電力電子系統(tǒng)包含 電壓源VI、V2和電阻元件RU R2、R3,同時包含a、b、c三個節(jié)點。
[0037] 該電力電子系統(tǒng)的節(jié)點方程為
[0038] 節(jié)點 a
[0039] 節(jié)點 b
[0040] 節(jié)點 c
[0041] 其中，Va= Vl
[0042] vc= V2
[0043] va、vb、Vc分別是節(jié)點a、b、c的電壓。
[0044] 聯(lián)立上述節(jié)點方程，可以得出系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣
[0046] 由上述導(dǎo)納矩陣可以看出，雖然導(dǎo)納矩陣的維度較大，但是，形式簡單，計算難度 較低，耗時較短。
[0047] 進一步地，在本步驟中，可以采用普約維奇等效方法將開關(guān)導(dǎo)通等效為電感、將開 關(guān)斷開等效為電容，在離散化仿真時，將電感等效為第一電阻與第一電流源并聯(lián)的電路、將 電容等效為第二電阻與第二電流源并聯(lián)的電路，其中，第一電