基于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真系统的设计与实现

发布时间：2020-03-19 03:38

【摘要】：模块化多电平换流器(Modular Multi-level Convertor,MMC)具有低谐波、低开关频率、高模块化和良好的可扩展性等优点,被广泛应用于电力网络的中高压应用场合。基于可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的MMC电磁暂态仿真是现阶段电磁暂态仿真的研究热点,但相关研究并不充分。针对目前MMC电磁暂态实时仿真系统的仿真步长大、计算精度较低、仿真规模较小的特点,本文提出并实现了一种的基于FPGA的MMC电磁暂态实时仿真系统。该系统实现了较小的仿真步长、更高计算精度且能仿真较大规模的MMC电网。本系统为了保证较高的电磁暂态仿真数据精度,数据计算均采用IEEE-754单精度浮点标准。然而,系统中浮点数精度的数据多周期混合累加会导致数据冲突的问题,使得系统计算需要的时钟周期大大增加。为了解决该问题,本文提出了一种分组循环混合累加电路,以实现多数据集的混合累加,并且计算速率满足系统要求。此外,本系统实现的仿真规模比同类系统更大,这带来了系统计算延时增加的问题。为了解决此问题,本文采用桥臂模型并行,桥臂内部分组并行以及深度流水线技术提高了数据吞吐率,实现了时序优化和计算延时的减小。与其他同类系统相比,本系统单板可支持的MMC电路仿真最大桥臂个数由3个增加到12个,每个桥臂最大支持子模块个数由512个增加到640个,平均仿真每个子模块需要消耗的资源显著减少。同时与类似的混合累加电路结构相比,本文所设计的混合累加电路可以将每个桥臂中640个浮点格式数据的混合累加速率由333个时钟周期缩短到183个时钟周期。系统的实现结果表明,本文所设计的系统能够正确进行MMC电路的系统电磁暂态仿真计算,计算规模可以达到单板12个桥臂每个桥臂640个子模块,计算结果与标准数据对比完全一致。系统能在150MHz的时钟频率下正确工作。同时经过本文的优化设计,本系统仿真步长由2.5 us可以缩小到2 us,能够满足系统电磁暂态仿真的实时性要求。此外经过优化后系统的硬件资源消耗可以保持在一个合理范围,共占用FPGA开发板70.28%的逻辑运算资源。与现阶段类似系统相比,本文设计MMC电路的电磁暂态实时仿真系统可以支持更大的仿真计算规模的同时达到更高的计算速率和计算精度。
【图文】：

小步长侧采用 2μs 的仿真时步，小步长侧每迭代计算 25 个时步便与大步长侧进行通信和数据交互。图5-5是本文设计的基于FPGA的模块化多电平换流器暂态实时仿真系统的实物图。作为小步长侧仿真系统的 FPGA 板与作为上位机的服务器通过光纤通信，实时仿真结果通过上位机发送给监控用的电脑显示器上。监控电脑发送开始仿真的指令给上位机，作为仿真启动的标志信号，然后通过上位机对小步长侧进行初始化，待小步长侧初始化完成后会开始与小步长侧一起进行大小步长多速率仿真工作，分别计算各自子网侧的网络电压和电流并每 50 μs 进行一次数据通信。同时上位机会不停发送需要监测的信号给监控用的电脑，将检测信号的波形显示出来。

图 5- 5 模块化多电平换流器暂态实时仿真系统实物图Fig 5-5 Physical map of transient real-time simulation system for modular multilevel converter验证采用的 MMC 电网结构如图 3-1 所示。直流侧额定电压为 150kV，桥臂电流额定值为 1.15kA，，桥臂电感为 48mH，子模块电容值为 120μF，每个桥臂子模块数为 640。光纤上位机Virtex-7 XC7VX690TADPSS 软件交互界面
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.9;TM46;TN791

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本文编号：2589648