基于FPGA的有源配电网实时仿真器核心模块设计与实现

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1、基于FPGA的有源配电网实时仿真器核心模块设计与实现DesignandimplementationofthecoremodulesofFPGA-basedreal-timesimulatorforactivedistributionsystems学科专业：电气工程研究生：曾凡鹏指导教师：李鹏副教授天津大学电气自动化与信息工程学院二〇一七年十一月摘要分布式电源、电动汽车及需求侧响应资源的广泛接入使有源配电网的动态特性愈加复杂，对有源配电网实时仿真提出了新的需求和挑战。基于FPGA的有源配电网实时仿真器具有计算速度快、仿真精度高、I/

2、O接口丰富、易于扩展、成本低等优点，在实时仿真领域得到了广泛的关注。其中，I/O接口设计可以有效的提高实时仿真器硬件在环仿真能力，高性能解算器设计对提升其仿真性能具有重要意义。为此，本文工作围绕基于FPGA的有源配电网实时仿真器核心模块的设计展开，主要研究内容包括：1）设计并实现了基于FPGA的有源配电网实时仿真器I/O接口。面向基于FPGA的有源配电网实时仿真器的多种通信需求，以FPGA自身硬件结构为基础，提出了基于FPGA的有源配电网实时仿真I/O接口的设计框架，并设计了用于接收外部设备模拟信号、具有数字滤波功能的高精度通用A

3、/D接口，用于仿真结果输出的通用D/A接口以及用于实现多FPGA全双工通信的高速光模块接口；2）设计并实现了基于FPGA的有源配电网实时仿真器高性能解算器。结合节点电导矩阵的结构特性和FPGA实时仿真的需求，提出了一种基于FPGA的有源配电网实时仿真器细粒度线性方程组解算器的设计，包括线性方程组解算器的设计架构、离线预处理方法和FPGA在线求解方法；3）基于本文的有源配电网实时仿真器核心模块设计，实现了低压有源配电网、光伏发电系统实时仿真算例测试。针对低压有源配电网实现了I/O接口模块实时仿真测试，其光照强度信号由光照采集器通过A

4、/D接口输入到仿真器中，仿真结果经由D/A接口输出到示波器显示，通过与PSCAD/EMTDC仿真结果的对比，充分验证了I/O接口设计的正确性和有效性；针对光伏发电系统算例实现了解算器模块测试，通过对线性方程组的解算器求解速度和求解规模的分析，并与PSCAD/EMTDC仿真结果的对比，充分验证了线性方程组解算器设计的正确性和有效性。关键词：实时仿真，现场可编辑门阵列，接口设计，矩阵稀疏处理，LU分解，有源配电网IABSTRACTWiththewidelyintegrationofdistributedgenerators,elect

5、ricvehiclesandthedemandsideresponseresources,activedistributionnetworks(ADN)showsgreatcomplexityinoperationmodeanddynamicbehavior,whichbringnewchallengesforthereal-timesimulationofADN.TheFPGA-basedreal-timesimulatortakesadvantageofmanymeritsoffield-programmablegatearr

6、ay(FPGA),suchassmalltime-step,highsimulationprecision,richI/Ointerfaceresources,andlowcost,whichisdrawingmoreattentioninthefieldofreal-timesimulation.ThispaperfocusesonthecoremodulesofFPGA-basedreal-timesimulatorforAND,includingsolverdesignandI/Ointerfacedesign,tofurt

7、herimpoveitsperformanceinsolvingandhardware-in-the-loopsimulation.Themainconstributionscanbesummarizedasfollows:1)High-performanceI/OinterfaceforFPGA-basedreal-timesimulatorofactivedistributionnetworksisdesignedandimplemented.TheI/Ointerfaceframeworkofthesimulatorispr

8、oposedtofulfilcommunicationrequirementbetweenthesimulatorandexternaldevices.Auniversalhigh-precisionA/Dconverterinterfaceisd