[发明专利]基于FPGA的高频开关功率变换器实时仿真方法

说明书

本发明公开了一种基于FPGA的高频开关功率变换器实时仿真方法，包括以下步骤：步骤一、对高频开关功率变换器进行理论分析，构建用于建模仿真的状态空间方程；步骤二、使用System Generator里的模块搭建高频开关变换器的求解结构模型，对高频开关变换器进行混合仿真；步骤三、将高频开关变换器的求解结构模型转换成比特流并配置FPGA，进行高频开关变换器的实时仿真。本发明设计新颖合理，能够避免每次开关状态发生变化后都要重新计算系统的导纳矩阵，从而节约了仿真时间，提高了仿真效率。

技术领域

本发明属于电力电子系统实时仿真技术领域，具体涉及一种基于FPGA的高频开关功率变换器实时仿真方法。

背景技术

随着智能电网的兴起，大规模的电力电子被应用于新能源并网、分布式电源及电能质量优化等领域。由于大规模电力电子器件的引入，电力系统频率也随之不断提高。半导体技术最近的进步倾向于提高现代功率转换器的操作开关频率，从而减小它们的尺寸和重量。高功率密度转换器在汽车和航空航天等工业应用领域至关重要，其中典型的开关频率在10-200kHz范围内。高频开关转换器的另一个动机是减少了总谐波失真，从而减轻了转换器中滤波元件的使用。然而，电力电子领域的这些突破对于实时仿真的传导非常具有挑战性。工业从业者对电源转换器的实时仿真是控制器开发的宝贵工具，可为故障场景和接近极限的操作行为节省时间和全面的测试覆盖范围。实时模拟器由运行实时操作系统的强大计算机构成，并且具有专用硬件以实现I/O目的。仿真器的典型时间步长在5μs～10μs范围内,通过考虑电力电子准确建模的指导方针，仿真时间步长至少应比开关频率低20倍，这样开关频率最好限制在5μs～10kHz 范围内。

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、更高的仿真频率对相应的实时仿真系统提出了新的挑战。实时仿真系统需要具备微妙级甚至纳秒级的仿真步长以及更小的仿真步长。

现场可编程门阵列(FPGA)提供的高并行性及其在纳秒范围内进行实时仿真的潜力，如文献报告所证明的那样，使得这些设备成为功率转换器实时仿真的新兴替代平台。然而，在工业环境中对功率转换器进行实时仿真时，FPGA的广泛采用仍然存在许多挑战。

半实物仿真，又称为硬件在回路仿真(Hardware-in-the Loop Simulation)，在条件允许的情况下尽可能在仿真系统中接入实物，以取代相应部分的数学模型，这样更接近实际情况，从而得到更确切的信息。

在电力电子系统的分析设计过程中，借助仿真手段来辅助产品的设计是十分必要的。实时仿真技术作为辅助电为电子产品设计的常用手段，其仿真环境与现实世界接轨，有以下两种形式：纯数字仿真和半实物仿真，纯数字仿真是指将控制器和控制对象通过数学建模的方式，在PC环境中实现控制系统的纯软件仿真。半实物仿真包括硬件在环(采用＂实际控制器+虚拟对象＂方式)和快速控制原型(采用＂虚拟控制器+实际对象＂方式)两种形式W。相比纯数字仿真，这两种方式都在仿真系统中加入了实物，对实际系统运行状态的反映更加真实。因此在使用电力电子技术对电力电子系统进行开发的过程中，加入半实物仿真技术进行辅助设计可以缩短项目开发周期、降低开发成本并提高电力电子系统的可靠性。

当前做半实物仿真系统的公司有德国的dSPACE公司和加拿大的Opal－RTTechnologies公司，他们分别研发了基于MATLAB/Simulink的半实物仿真系统 dSPACE和基于MATRIXs/System Build的半实物仿真系统RT-LAB。

dSPACE是由Math Works公司的合作伙伴德国dSPACE公司开发的实时仿真系统，是一套基于MATLAB/Simulink的控制系统开发及半实物仿真的软硬件工作平台，实现了和MATLAB/Simulink/RTW的完全无缝连接。因此dSPACE实时仿真系统可以十分方便地使用simulink环境下的Power System工具箱里的各种电路元器件仿真模型，快速转化为可在半实物仿真系统中进行仿真的虚拟对象。