[发明专利]基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法

摘要

一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，包括1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，将模型划分为电气系统和控制系统两部分；2)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；3)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；4)电气系统计算出光伏电池输出电压V和电流I，并传入控制系统的光伏电池模型中，随后光生电流源电流Iph和二极管电流Id以受控电流源的形式参与电气系统的计算；5)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，否则返回步骤3)。本发明在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算，为基于较小的仿真步长的光伏发电系统的实时仿真奠定了基础。

主权项

一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，光伏电池模型计算公式为其中，Iph为光生电流源电流，Is是二极管饱和电流，q为电子电量，k是玻尔兹曼常数，T为光伏电池工作的绝对温度值，n是二极管特性拟合系数，Rs和Rsh分别为表示光伏电池损耗的电阻，I是光伏电池输出电流，V是光伏电池输出电压，对于光伏电池的建模应将模型划分为电气系统和控制系统两部分，其中电气系统包括模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id的受控电流源以及模拟光伏电池内部损耗的电阻Rs和Rsh，控制系统实现光生电流源电流Iph和二极管电流Id的具体计算；2)由于模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id的受控电流源处于并联关系，计算相互独立，因此将模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id设置为第一系统和第二系统，在FPGA中开辟独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算；3)针对作为第一系统的光生电流源电流Iph进行计算，Iph的计算公式为：其中，Iph,ref为标准条件下的光生电流值，S为实际光照强度，Sref为标准条件下的光照强度，CT为温度系数，Tref为标准条件下电池工作的绝对温度，基于FPGA针对Iph进行计算是采用3个浮点数乘法器和2个浮点数加法器；4)针对作为第二系统的二极管电流Id的计算公式为：其中，Is和可进一步分配独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算，二极管饱和电流Is的计算公式为：其中，Eg为禁带宽度，A为温度系数；基于FPGA针对In进行计算是采用4个浮点数乘法器、2个浮点数加法器以及1个浮点数指数函数计算单元；所述的基于FPGA针对Is进行计算的过程是：以温度T为地址生成Is值查找表，并存入FPGA的内存RAMIs中，插值公式为Is(T)＝[Is(T2)‑Is(T1)](T‑T1)+Is(T1)，其中，T1和T2表示与温度T最接近的前后两个整数，Is(T1)和Is(T2)分别表示T1和T2温度下的二极管饱和电流，由于T为浮点数，无法作为地址使用，首先将浮点数T转化为整数，并求得T前后范围T1i和T2i，进而以T1和T2为地址从内存RAMIs中同时读取Is(T1)和Is(T2)，其中T1i和T2i分别表示温度T前、后范围的整数形式；将T1i再次转化为浮点数T1f，对T和T1f进行浮点数减法，并完成剩余的插值步骤；5)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；6)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；7)由电气系统计算出光伏电池输出电压V和电流I，并传入控制系统的光伏电池模型中，光生电流源电流Iph、二极管饱和电流Is以及In进行并行计算，再通过二极管饱和电流Is和In计算二极管电流Id，随后光生电流源电流Iph和二极管电流Id以受控电流源的形式参与电气系统的计算；8)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，否则返回步骤6)。