面向电力电子系统的实时多速率联合仿真技术研究

发布时间：2017-05-21 13:01

  本文关键词：面向电力电子系统的实时多速率联合仿真技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：近年来,基于高频IGBT开关器件的电力电子装置被广泛用于分布式电源并网、交直流电网互联等电力应用领域。为保证安全可靠,必须对电力电子装置动态特性、闭环控制策略等进行详尽仿真测试。其中,实时仿真可全面实现电力电子系统极限操作行为、故障情况各种工况测试,且成本较低,可信度高。然而,目前基于多PC或多DSP的实时仿真平台已难满足高频电力电子装置的仿真需求,其存在着仿真精度与仿真效率难以兼顾,代码设计复杂繁琐以及计算负担过大等问题。为解决上述问题,本文提出了基于FPGA+DSP+PC的联合仿真平台,并主要完成工作如下:1.电力电子实时多速率联合仿真平台的设计实现。针对电力电子系统多时间尺度特性导致的仿真效率以及仿真精度难以兼顾的问题,本文利用多速率仿真原理,搭建了PC+FPGA+DSP实时多速率联合仿真平台架构。其中,FPGA的仿真步长可以达到纳秒级,满足了高频开关器件仿真的实时性需求。2.研究电力电子模型化开发实现过程。针对代码设计复杂繁琐的问题,本文采用模型化开发工具实现系统模型到代码的自动生成。在仿真算例中,采用模型化开发方式分别完成了浮点型线性解算器、浮点型非线性解算器、数据处理与控制接口以及闭环SPWM控制算法的设计。3.研究基于FPGA的电力电子电路模型的建模方法。针对电力电子电路中高频开关频繁动作带来的计算负担问题,本文采用连续离散分离的方法将含开关器件的非线性子模型从电力电子电路中分离出来,从而在仿真计算时大规模线性子模型将不需要实时更新,减少了计算量。再采用状态空间法对线性子模型进行建模,采用开关函数发对非线性子模型建模,为FPGA解算器的搭建打下基础。对三相两电平逆变器闭环控制算例进行仿真测试。以单速率离线仿真为基准,将实时联合仿真、单速率离线仿真与多速率离线仿真从仿真波形、仿真误差、仿真速率以及FPGA资源消耗方面进行对比分析。其中,FPGA以500ns高速解算逆变器部分,DSP以2us慢速仿真控制部分。结果显示,实时联合仿真比多速率离线仿真提速233倍,比单速率离线仿真提速991倍,且范式误差仅为1%。
【关键词】：模型化开发 连续离散分离 状态空间法 开关函数法 FPGA DSP
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 本论文的研究背景与意义10-12
• 1.1.1 电力电子系统实时仿真的意义10-11
• 1.1.2 电力电子实时仿真技术关键问题11-12
• 1.1.3 本论文的研究意义与目标12
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势12-13
• 1.3 本论文的组织架构13-15
• 第2章 电力电子实时多速率联合仿真技术15-25
• 2.1 多时间尺度电力电子实时仿真15-16
• 2.2 电力电子实时多速率仿真原理16-17
• 2.3 电力电子实时多速率联合仿真系统构架17-23
• 2.3.1 系统硬件平台17-20
• 2.3.2 电力电子系统快速设计流程20-21
• 2.3.3 基于PCIe接口的数据交互设计21-23
• 2.4 本章小结23-25
• 第3章 电力电子模型化开发设计研究25-42
• 3.1 基于FPGA的模型化开发技术研究25-33
• 3.1.1 基于FPGA的模型化开发方式25-26
• 3.1.2 System Generator介绍26-27
• 3.1.3 基于System Generator的系统模型设计流程27-28
• 3.1.4 基于EDK的SOPC实现28-29
• 3.1.5 System Generator与EDK无缝连接29-33
• 3.2 基于DSP的模型化开发技术研究33-41
• 3.2.1 基于DSP的模型化开发方式33-35
• 3.2.2 Embedded Coder开发环境介绍35-36
• 3.2.3 模型化开发的主要功能模块36-41
• 3.3 本章小结41-42
• 第4章 基于FPGA的电力电子建模仿真方法研究42-46
• 4.1 连续离散模型分割方法42-43
• 4.2 线性子模型的建模方法43-44
• 4.3 非线性子模型的建模方法44-45
• 4.4 本章小结45-46
• 第5章 三相两电平逆变器闭环控制系统仿真算例研究46-60
• 5.1 算例系统离线模型搭建仿真46-48
• 5.2 基于FPGA的高速解算实现48-54
• 5.2.1 浮点型线性解算器设计49-51
• 5.2.2 浮点型非线性解算器设计51-52
• 5.2.3 基于FPGA的数据交互实现52-54
• 5.3 基于DSP的PWM控制算法实现54-56
• 5.4 算例仿真结果分析56-59
• 5.4.1 仿真误差对比分析56-58
• 5.4.2 仿真速率对比分析58
• 5.4.3 FPGA资源消耗分析58-59
• 5.5 本章小结59-60
• 结论60-62
• 参考文献62-66
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单66-67
• 致谢67

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本文编号：383696