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基于FPGA的有源配电网实时仿真方法研究

丁承第  
【摘要】:实时仿真系统是配电网技术创新、概念验证、算法测试、装备研发的重要平台与手段,而有源配电网实时仿真需要强大的计算能力以满足数字仿真的实时性。本文以当前备受关注的新型可编程逻辑器件FPGA为底层硬件,研究了有源配电系统实时仿真建模与系统设计方法,开发了基于FPGA的有源配电网实时仿真系统。论文具体工作如下:(1)结合有源配电网的实时仿真需求,提出了基于FPGA的有源配电网实时仿真系统整体框架,包括:提出了考虑系统级并行、模块级并行以及底层并行的电气系统多层级并行仿真框架和提出了基于节点分析法的模块级并行设计方法;发展了基于顺序求解的控制系统仿真框架,在该框架下考虑了系统级并行、结构级并行以及底层并行的多层级并行结构;提出了基于FPGA的适于实时仿真的电气和控制系统多速率接口方法。算例测试表明,该仿真框架表现出强大的并行性以及计算能力,能够满足小步长下的有源配电网实时仿真;(2)基于有源配电网的建模需求,提出了无源元件、线路、电源、断路器、测量元件等常规配电网元件的元件模块设计方法,研究了分布式发电系统的重要组成部分——电力电子变流器的实时仿真模型及其FPGA模块设计方法;提出了典型分布式电源以及控制器元件的FPGA模块设计方法;所有的元件模块设计均充分考虑了FPGA的高度并行性。算例表明,建模方法为高速仿真计算奠定了基础,并可达到各种商业软件的计算精度;(3)提出了基于FPGA的实时仿真器的详细硬件设计方法,包括仿真全局控制、电气系统求解、控制系统求解、电气和控制系统数据交互以及仿真结果输出5部分模块的设计方法,并具体阐述了这5部分功能模块的相互连接关系,各个模块的设计方式都充分发挥了FPGA的硬件并行性。设计了仿真器与外部物理设备的仿真接口,通过仿真测试验证了该仿真接口的有效性;(4)基于本文开发的实时仿真系统,实现了典型配电网络、光伏发电系统、光蓄发电系统以及含光伏发电系统的有源配电网的实时仿真算例测试,考察了它们在外部环境条件改变、系统故障及功率输出变化等情况下的暂态过程,并与商业电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC和商业实时仿真系统RTDS进行了对比,从仿真速度、仿真精度、仿真规模等方面验证了本文开发的实时仿真系统的正确性和有效性。


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