[發明專利]基于FPGA的高頻開關功率變換器實時仿真方法

有效

• 申請號: 201910485700.7
• 申請日: 2019-06-05
• 公開（公告）號: CN110516276B
• 公開（公告）日: 2022-11-29
• 發明（設計）人: 鄭先成;魚亞軍
• 申請（專利權）人: 西北工業大學太倉長三角研究院
• 主分類號: G06F30/367
• 分類號: G06F30/367
• 代理公司: 西安啟誠專利知識產權代理事務所(普通合伙) 61240
• 代理人: 李艷春

本發明公開了一種基于FPGA的高頻開關功率變換器實時仿真方法，包括以下步驟：步驟一、對高頻開關功率變換器進行理論分析，構建用于建模仿真的狀態空間方程；步驟二、使用System Generator里的模塊搭建高頻開關變換器的求解結構模型，對高頻開關變換器進行混合仿真；步驟三、將高頻開關變換器的求解結構模型轉換成比特流并配置FPGA，進行高頻開關變換器的實時仿真。本發明設計新穎合理，能夠避免每次開關狀態發生變化后都要重新計算系統的導納矩陣，從而節約了仿真時間，提高了仿真效率。

技術領域

本發明屬于電力電子系統實時仿真技術領域，具體涉及一種基于FPGA的高頻開關功率變換器實時仿真方法。

背景技術

隨著智能電網的興起，大規模的電力電子被應用于新能源并網、分布式電源及電能質量優化等領域。由于大規模電力電子器件的引入，電力系統頻率也隨之不斷提高。半導體技術最近的進步傾向于提高現代功率轉換器的操作開關頻率，從而減小它們的尺寸和重量。高功率密度轉換器在汽車和航空航天等工業應用領域至關重要，其中典型的開關頻率在10-200kHz范圍內。高頻開關轉換器的另一個動機是減少了總諧波失真，從而減輕了轉換器中濾波元件的使用。然而，電力電子領域的這些突破對于實時仿真的傳導非常具有挑戰性。工業從業者對電源轉換器的實時仿真是控制器開發的寶貴工具，可為故障場景和接近極限的操作行為節省時間和全面的測試覆蓋范圍。實時模擬器由運行實時操作系統的強大計算機構成，并且具有專用硬件以實現I/O目的。仿真器的典型時間步長在5μs～10μs范圍內,通過考慮電力電子準確建模的指導方針，仿真時間步長至少應比開關頻率低20倍，這樣開關頻率最好限制在5μs～10kHz 范圍內。

因此，隨著新一代的電網及輸配電系統發展，大量電力電子器件的引入、更高的仿真頻率對相應的實時仿真系統提出了新的挑戰。實時仿真系統需要具備微妙級甚至納秒級的仿真步長以及更小的仿真步長。

現場可編程門陣列(FPGA)提供的高并行性及其在納秒范圍內進行實時仿真的潛力，如文獻報告所證明的那樣，使得這些設備成為功率轉換器實時仿真的新興替代平臺。然而，在工業環境中對功率轉換器進行實時仿真時，FPGA的廣泛采用仍然存在許多挑戰。

半實物仿真，又稱為硬件在回路仿真(Hardware-in-the Loop Simulation)，在條件允許的情況下盡可能在仿真系統中接入實物，以取代相應部分的數學模型，這樣更接近實際情況，從而得到更確切的信息。

在電力電子系統的分析設計過程中，借助仿真手段來輔助產品的設計是十分必要的。實時仿真技術作為輔助電為電子產品設計的常用手段，其仿真環境與現實世界接軌，有以下兩種形式：純數字仿真和半實物仿真，純數字仿真是指將控制器和控制對象通過數學建模的方式，在PC環境中實現控制系統的純軟件仿真。半實物仿真包括硬件在環(采用＂實際控制器+虛擬對象＂方式)和快速控制原型(采用＂虛擬控制器+實際對象＂方式)兩種形式W。相比純數字仿真，這兩種方式都在仿真系統中加入了實物，對實際系統運行狀態的反映更加真實。因此在使用電力電子技術對電力電子系統進行開發的過程中，加入半實物仿真技術進行輔助設計可以縮短項目開發周期、降低開發成本并提高電力電子系統的可靠性。

當前做半實物仿真系統的公司有德國的dSPACE公司和加拿大的Opal－RTTechnologies公司，他們分別研發了基于MATLAB/Simulink的半實物仿真系統 dSPACE和基于MATRIXs/System Build的半實物仿真系統RT-LAB。

dSPACE是由Math Works公司的合作伙伴德國dSPACE公司開發的實時仿真系統，是一套基于MATLAB/Simulink的控制系統開發及半實物仿真的軟硬件工作平臺，實現了和MATLAB/Simulink/RTW的完全無縫連接。因此dSPACE實時仿真系統可以十分方便地使用simulink環境下的Power System工具箱里的各種電路元器件仿真模型，快速轉化為可在半實物仿真系統中進行仿真的虛擬對象。