陆臻业， 邹毅军， 王佳， 王志鹏， 郭茂派

(上海科梁信息工程股份有限公司，上海 200233)

一种基于FPGA的高速电力电子实时仿真方法研究

陆臻业， 邹毅军， 王佳， 王志鹏， 郭茂派

(上海科梁信息工程股份有限公司，上海 200233)

为了实现高速电力电子系统的实时仿真，提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的高速可重构实时仿真系统设计方法。通过RT-LAB实时仿真平台以及配套的FPGA开发工具建立了基于FPGA的高速电力电子仿真系统。在仿真算法上应用修改节点分析法以及高速开关器件的普约维奇等效法，为大规模高速高精度实时仿真提供了可靠的运行环境。为了验证系统有效性，利用基于FPGA的高速电力电子仿真系统搭建了光伏逆变器测试系统，研究了光伏并网系统运行状态。仿真结果验证了FPGA高速电力电子仿真系统在光伏入网系统实时仿真中的有效性及准确性。

FPGA；高速电力电子仿真；实时仿真系统；RT-LAB; 光伏并网

0 引 言

在电力系统实时仿真领域，面向传统输配电系统的低频电力电子仿真技术已经趋于完善，主要运用的是基于CPU的仿真技术。基于CPU软件环境的仿真系统具有操作简单、成熟度高、低复杂度等优点，被广泛用于针对大规模电网及传统输配电系统的实时仿真中。随着智能电网的兴起，大规模的电力电子设备被应用于新能源并网、分布式电源及电能质量优化等领域，同时电力电子系统开关频率也随之不断提高。因此，随着新一代的电网及输配电系统发展，大量电力电子器件的引入以及更高的仿真频率需求，对相应的实时仿真系统提出了新的挑战。基于CPU的仿真手段往往无法实现实时仿真[1]。

本文提出了一种基于FPGA的高速电力电子仿真系统设计方法。FPGA拥有大量硬件逻辑资源，可以实现并行运算[2]，具备了高速实时仿真的能力。同时，运用改进的电力系统解算方法和开关器件等效手段，加快了仿真速度并且提高了仿真精度。并结合RT-LAB实时仿真平台以及对应的FPGA开发工具，建立了基于FPGA的光伏并网测试系统进行验证。

1 FPGA仿真环境

FPGA仿真与传统CPU仿真相比，具有更高的设计灵活性和更快的计算速度可以满足高速实时仿真需求[3]，因此提出了一种基于FPGA的高速电力电子仿真系统。

在FPGA中，包含大量可自由配置的硬件逻辑电路，开发者可以根据需求自由对FPGA内部电路进行修改以实现不同的功能；此外，FPGA是一种并行计算设备，可以快速有效地进行数据计算处理，为高速电力电子仿真提供了合适的环境。在信号处理方面，FPGA具有大量专用的硬件乘法器，运算速度远远高于CPU，使FPGA具备了实现高速电力电子仿真的能力。

同时FPGA具有可重构的技术优势，大大增加了FPGA仿真的灵活性。可重构技术以实现FPGA全部或部分逻辑资源的功能变换[4-5]。通过可重构技术，可以对被仿真电力系统的结构进行自由、灵活地修改，同时省去了对FPGA进行二次开发的过程，大大缩减了系统开发周期和成本。具有可重构技术的FPGA仿真系统可以灵活多变地实现各类型的高速电力电子仿真。

FPGA从硬件上提供了一种高速、灵活、可靠的电力电子系统实时仿真环境。

2 电力系统解算方法

计算机仿真通常使用节点分析法来解算电路，获得电路的系统方程和导纳矩阵。节点分析法在计算机运算过程中伴随着一些不足，不是一种最佳的分析方法。此外，在带开关器件的电路中，开关状态变化会影响系统结构，需要重新解算电路，耗费大量时间。本文运用了修改节点分析法[6]，同时对开关器件采取普约维奇等效[7]处理，避免了开关器件操作对电力系统结构的影响，避免了导纳矩阵的再计算，大大提升了仿真系统的运算效率及精度。

2.1 修改节点分析法

修改节点分析法是传统节点分析法的一种延伸，和传统节点法一样可以分析电路节点电压以及支路电流，同时也避免了节点法在分析带有固定电压器件电路时的难点。

以图1所示电路为例，应用修改结点法对其进行分析和导纳矩阵建立：

图1 实际电路举例

分析电路后联立每个节点的方程：

va=V1

vc=V2

建立电力系统方程之后，可以得到以下形式的系统矩阵方程，直接获得系统导纳矩阵：

通过修改节点分析法获得了高维度的导纳矩阵，但是对于计算机来说计算矩阵的难度和耗时并不是很大。

2.2 普约维奇等效

普约维奇等效是本高速电力电子实时仿真系统设计方法中的重要环节。当整个电力系统中含有逐段线性(PWL)器件，例如二极管、开关器件等等，利用普约维奇方法，将开关导通状态等效成小电感，将开关断开状态等效成小电容[8]。在离散化仿真时，电感和电容都可以用电流源并联电阻来等效。下面给出电感电容离散化计算过程：

电感离散化：

IL(t)=ILHistory(t-Δt)+GS·UL(t)

电容离散化

IC(t)=ICHistory(t-Δt)+GS·UC(t)

可见电感及电容离散化之后，都可以用电流源并联电阻来表示，而电阻导纳值在式中用Gs表示。

GS=Δt/2L=2C/Δt

通过这种方法可以将PWL器件等效成电阻与电流源并联结构电路进行计算，避免开关状态的变化对电力系统结构的影响，避免了重复解算系统方程，大大地节省了解算系统矩阵花费的时间、提高了效率，为高速电力电子系统仿真提供了可靠、高效的仿真环境。

3 FPGA仿真系统设计

本文在对含有高速电力电子器件的系统进行仿真时，通常将电力系统分为传统低速电力系统部分，以及高速电力电子部分。对于传统中低速大步长电网部分，仍然使用基于CPU的实时仿真系统，而对于带有电力电子器件的高速电力系统部分则使用基于FPGA的高速实时仿真系统。

本文基于以上分析建立了基于FPGA的高速电力电子实时仿真系统[9]。系统结构如图2所示。

图2 仿真系统结构

图2描述了基于FPGA的实时仿真系统结构，包括：上位机监控部分、CPU实时仿真系统、FPGA实时仿真系统、I/O通信部分以及控制器部分；

上位机监控部分负责模型控制及结果监视等功能，由计算机或是工作站实现。CPU实时仿真系统是整个仿真系统的基础，负责CPU系统与FPGA之间通信管理。FPGA实时仿真系统部分，负责对高速电力电子电路进行仿真；同时用于I/O通讯管理。配合I/O通讯部分连接外部硬件控制器，形成硬件在环结构，组成了完整的高速电力电子实时仿真系统。

4 系统实施案例

4.1 实时仿真系统平台介绍

整个实时仿真系统基于加拿大OPAL-RT公司开发的RT-LAB实时仿真平台以及MATLAB/Simulink工具箱进行开发，配合配置了xilinx/virtex6型号FPGA的仿真机OP5600，实现以CPU为基础FPGA为核心的实时仿真系统。

4.2 光伏并网电路组成

本文采用两级式光伏并网拓扑结构建立了光伏并网测试系统。光伏阵列输出300 V直流电压，接入BOOST升压斩波电路进行MPPT控制后，再通过三相T型逆变电路生成三相交流电，经过升压后接入电网。

图3 BOOST升压斩波电路

图4 三相T型逆变器

如图3所示为BOOST升压斩波电路结构图。

如图4所示为三相T型逆变电路结构图[10]。

4.3 实时仿真系统实现

本文通过基于FPGA的高速电力电子仿真系统实现了光伏并网测试系统。根据系统设计，CPU仿真系统下搭建传统电力系统模型，并利用RT-LAB提供的FPGA配置模块(如图5所示)对FPGA通讯以及仿真参数进行配置[11]。

图5 FPGA配置模块

CPU仿真系统将光伏阵列输出的直流电压以及控制器计算出的控制脉冲信号发送给FPGA中的BOOST电路以及三电平逆变器电路，经过FPGA运算获得逆变器交流侧输出电压电流信号反馈给CPU系统并参与控制器的算法运算更新控制信号，实现FPGA在环的实时仿真。

同时，在CPU系统中搭建了传统电网模型如图6所示。

FPGA配置模块连接了相应的BOOST电路以及三电平逆变电路[12-13]。对应的模型如图7和8所示，该模型将被置于FPGA中运行：

图6 电网模型

图7 BOOST电路模型

图8 光伏逆变电路模型

图9 仿真系统实物图

如图9所示，为仿真系统上位机与下位机开发平台实物。

5 实验结果

通过RT-LAB平台的应用，根据系统设计搭建了光伏入网系统，实现了基于FPGA的高速仿真系统。表1列出了光伏系统环境参数列表。

表1 系统参数列表

根据仿真参数设定，模拟光伏阵列输出电压为300 V，经过BOOST电流进行升压，占空比设置为0.7，控制脉冲频率为48 kHz，模式为开环控制。结果如图10所示。

图10 BOOST电路输出直流电压

图11 逆变器交流侧电压

图12 逆变器输出电流

图13 实时仿真与离线仿真结果比较

测试结果为：BOOST输出电压十分接近1 000 V，经过两个相同电容分压后电压接近500 V。通过仿可见输出电压十分接近理论值。

逆变器交流侧仿真结果如图11～图13所示。

图11、图12所示为三电平逆变器交流侧输出三相电压以及三相电流。图13为本系统仿真电流结果与Simulink仿真电流结果对比，十字符号描点为本系统实时仿真结果，实线为Simulink离线仿真结果。

可见，逆变器输出电压电流波形准确的反映出控制器的电压电流控制性能。并且由波形对比结果表明，本高速实时仿真系统与Simulink仿真工具具有相似的仿真结果，体现了基于FPGA的仿真系统的可行性、精确性以及实际算法的有效性。证明了本文设计的仿真系统在实时仿真领域具有实际使用价值及意义。

图14 电压跌落波形

图15 电压恢复波形

同时，基于FPGA的高速电力电子仿真系统支持对电网中的故障情况进行模拟。试验中进行了电压跌落模拟，电压跌落深度设定为80%波形如图14、15所示，逆变器交流侧发生电压跌落故障的模拟结果：

总体的仿真结果反应了基于FPGA的高速电力电子实时仿真系统的有效性及精确性。本系统具备实现高速高精度电力电子实时仿真的能力，以及具备对电网运行状态进行模拟的能力。体现了本仿真系统的实际应用价值。

6 结束语

本文利用RT-LAB平台搭建了基于FPGA的高速电力电子仿真系统。并以修改节点法和普约维奇开关等效方法奠定了仿真运算的基础，为FPGA仿真系统提供了一个高效可靠的平台。同时搭建了整套的实时仿真系统，包含了核心的FPGA仿真系统、基础的CPU仿真系统、上位机监控系统以及I/O通讯系统。最后，以光伏并网系统为例，建立基于FPGA的光伏并网测试系统，由FPGA高速仿真系统对BOOST电路以及光伏逆变器进行模拟。

经过实际系统仿真验证，不仅证明了系统的可行性，并且通过结果分析验证了本系统的有效性以及精确性。本方法提供了良好的高速电力电子系统仿真平台，为新一代高速电力电子系统提供了优秀的开发测试平台。

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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

陆臻业(1990-)，男，上海人，硕士，系统控制自动化专业。

定稿日期: 2016-01-29