基于FPGA的微电网实时仿真研究

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1、基于FPGA的微电网实时仿真研究ResearchonReal-timeSimulationforMicro-gridBasedonFPGA工程领域：电气工程作者姓名：付绍文指导教师：张炳达教授天津大学电气与自动化工程学院二零一七年十一月摘要实时数字仿真系统是进行电力系统规划设计、运行调度、保护控制测试的重要平台。由于微电网含开关频率很高的AC/DC、AC/AC、DC/DC变换器，这对微电网实时仿真平台的计算能力提出了更高的要求。现场可编程门阵列(FPGA，Field－ProgrammableGateArray)拥有并行硬件结构，可实现高度并行的数值计算，因而备受关注

2、。面对微电网实时仿真中高频开关器件带来的仿真规模受限问题和FPGA开发门槛高、通用性设计困难等挑战，本文研究了基于FPGA的微电网实时仿真平台的设计实现。论文主要工作如下：（1）介绍了微电网实时仿真的理论基础，包括分布式电源、电力电子开关器件以及变压器、线路、负荷的数学仿真模型。对节点分析法的计算流程做了介绍，详细分析了节点分析法中常用的数学积分方法和求解线性方程组时用到的最小度法和极大独立集合法。研究了一种基于替代定理的多速率仿真方法，将电感和电容分别等效为电流源和电压源，从而使整个系统解耦，各子系统间能够完全并行求解。（2）设计了一种新颖的基于FPGA和指令流的

3、微电网多速率实时仿真平台。对基于FPGA和指令流的实时数字仿真平台（FO-RTDS）中的实时解算器和指令流生成器进行了优化。建立多种节奏的数据流入流出乒乓电路和引入带有时标的乒乓操作任务，实现了任务统筹安排的多速率仿真。通过引导字地址到当前值地址的映射电路将多值参数值的寻找融入到指令流的处理过程，减轻了运算组件的计算任务压力。在最晚安排时间的任务调度策略基础上，采用k-中心点算法确定非中间量在解算器中的初始位置，按照节省运算组件开支和迁入变量与原有变量之间平均距离最小的原则进行数据调度，使得任务的全局安排更加合理。（3）与真实变流控制器和继电保护装置构成了一个微电网

4、硬件在环实时仿真平台，并与离线商业电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC对比，验证了新颖的FO-RTDS能实现多值参数预存和多速率仿真，极大地提升了微电网实时仿真的规模。关键词：微电网，实时仿真，FPGA，多值参数预存，多速率仿真IABSTRACTReal-timedigitalsimulationsystemplaysanimportantroleinpowersystemplanninganddesigning,operationscheduling,protectionandcontroltesting.Therearehighswitchingfrequen

5、cyAC/DC,AC/AC,DC/DCconverterinthemicro-grid,whichputsforwardhigherdemandsonthecomputingpowerofmicro-real-timesimulationplatform.FPGA(Field－ProgrammableGateArray)hasparallelhardwarestructurewhichcanachievehighlyparallelnumericalcalculations,soFPGAhasattractedmuchattention.Facedwiththepr

6、oblemsoflimitedsimulationscalebroughtbyhigh-frequencyswitchingdevicesinreal-timesimulationofmicro-gridandthechallengeofhighthresholdofdevelopmentanddifficultuniversaldesign.Thedetailedworkissummarizedasfollows:（1）Thetheoreticalbasisofmicro-gridreal-timesimulationisintroduced,includingt

7、hemathematicalmodelofdistributedpowersupply,powerelectronicswitchingdevices,transformers,linesandloads.Thecalculationprocedureofnodeanalysismethodisintroduced.Themathematicalintegralmethodcommonlyusedinnodeanalysismethodandtheleastdegreemethodandthemaximalindependentsetmethodusedinso