基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法技术

一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，包括：1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，将模型划分为电气系统和控制系统两部分；2)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；3)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；4)电气系统计算出光伏电池输出电压V和电流I，并传入控制系统的光伏电池模型中，随后光生电流源电流Iph和二极管电流Id以受控电流源的形式参与电气系统的计算；5)判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤3)。本发明专利技术在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算，为基于较小的仿真步长的光伏发电系统的实时仿真奠定了基础。

【技术实现步骤摘要】
基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法
本专利技术涉及一种光伏电池模型设计。特别是涉及一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法。
技术介绍
太阳能光伏发电又称为光伏电池，光伏电池具有结构简单、体积小、清洁无噪声、可靠性高、寿命长等优点，近年来发展十分迅速。按照采用的材料不同，光伏电池可分为硅型光伏电池、化合物光伏电池、有机半导体光伏电池等多种。目前，硅型光伏电池应用最为广泛，这种电池又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜光伏电池等。其中，单晶和多晶硅光伏电池光电转换效率较高；非晶硅薄膜光伏电池虽然光电转换效率相对较低，但由于具备其他一些优点近年来应用得也日益广泛。从光伏电池的技术发展现状看，硅型光伏电池在今后相当长的一段时间内将是太阳能光伏电池的主流。由于光伏电池单体输出电压和输出电流都很低，功率也较小，为此需将光伏电池串、并联构成光伏模块，其输出电压可提高到十几至几十伏；光伏模块又可经串、并联后得到光伏阵列，进而获得更高的输出电压和更大的输出功率。光伏发电系统的实际电源一般就是指光伏阵列，它是一种直流电源。在实时仿真中，针对光伏电池的详细建模往往涉及较多的非线性函数，其运算较为复杂，影响着光伏发电单元的计算效率以及数字仿真的实时性。而基于现场可编程逻辑门阵列(field-programmablegatearray，FPGA)的全硬件计算为光伏电池建模和实时仿真提供了一种新思路。FPGA本质上具有完全可配置的固有硬件并行结构，其逻辑资源可配置为很多并行处理单元并实现多层级高度并行计算；同时，FPGA芯片上具有大量嵌入式块RAM，可配置为大量分布式ROM或RAM，其数据和地址宽度、端口数量皆可配置，而传统实时仿真器中内存和总线大多是共享的，且端口有限，限制了数据的传输效率；FPGA允许使用流水线技术，加强了数据处理效率，并且，FPGA还拥有大量传输速度极快的内部连线，不会引入过大的通讯延迟。因此基于FPGA的实时仿真系统允许更快的计算速度和更小的计算步长，可以为实时仿真中对于步长有要求严格的部分提供速度和精度支持，体积小巧，在开发周期与成本上也更具优势；而且考虑到传统实时仿真器的模型与算法等内容基本上不对用户开放，进一步研究开发准确、高效的仿真算法不大可能。相比之下，基于FPGA的实时仿真器具有可开发性、可拓展性，能够为控制、保护策略的研究，新设备调试等提供测试平台。在基于FPGA的实时仿真中，需要充分发挥FPGA的计算能力才能满足光伏电池实时仿真的计算能力需求。为此，本专利技术提出了一种光伏电池的实时仿真FPGA模型设计方法，该设计方法能够充分发挥FPGA硬件并行性以及流水线架构的技术优势，在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算，为基于较小的仿真步长的光伏发电系统的实时仿真奠定了基础。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，提供一种在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法。本专利技术所采用的技术方案是：一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，包括如下步骤：1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，光伏电池模型计算公式为其中，Iph为光生电流源电流，Is是二极管饱和电流，q为电子电量，k是玻尔兹曼常数，T为光伏电池工作的绝对温度值，n是二极管特性拟合系数，Rs和Rsh分别为表示光伏电池损耗的电阻，I是光伏电池输出电流，V是光伏电池输出电压，对于光伏电池的建模应将模型划分为电气系统和控制系统两部分，其中电气系统包括模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id的受控电流源以及模拟光伏电池内部损耗的电阻Rs和Rsh，控制系统实现光生电流源电流Iph和二极管电流Id的具体计算；2)由于模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id的受控电流源处于并联关系，计算相互独立，因此将模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id设置为第一系统和第二系统，在FPGA中开辟独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算；3)针对作为第一系统的光生电流源电流Iph进行计算，Iph的计算公式为：其中，Iph,ref为标准条件下的光生电流值，S为实际光照强度，Sref为标准条件下的光照强度，CT为温度系数，Tref为标准条件下电池工作的绝对温度，基于FPGA针对Iph进行计算是采用3个浮点数乘法器和2个浮点数加法器；4)针对作为第二系统的二极管电流Id的计算公式为：其中，Is和可进一步分配独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算，二极管饱和电流Is的计算公式为：其中，Eg为禁带宽度，A为温度系数；基于FPGA针对In进行计算是采用4个浮点数乘法器、2个浮点数加法器以及1个浮点数指数函数计算单元；5)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；6)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；7)由电气系统计算出光伏电池输出电压V和电流I，并传入控制系统的光伏电池模型中，光生电流源电流Iph、二极管饱和电流Is以及In进行并行计算，再通过二极管饱和电流Is和In计算二极管电流Id，随后光生电流源电流Iph和二极管电流Id以受控电流源的形式参与电气系统的计算；8)判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤6)。步骤4)中，基于FPGA针对Is进行计算，考虑到Is是以温度T为变量的单值函数，为节省计算资源，在FPGA中使用查表法以及插值法对Is进行计算。所述的基于FPGA针对Is进行计算的过程是：以温度T为地址生成Is值查找表，并存入FPGA的内存RAMIs中，插值公式为Is(T)＝[Is(T2)-Is(T1)](T-T1)+Is(T1)，其中，T1和T2表示与温度T最接近的前后两个整数，Is(T1)和Is(T2)分别表示T1和T2温度下的二极管饱和电流，由于T为浮点数，无法作为地址使用，首先将浮点数T转化为整数，并求得T前后范围T1i和T2i，进而以T1和T2为地址从内存RAMIs中同时读取Is(T1)和Is(T2)，其中T1i和T2i分别表示温度T前、后范围的整数形式；将T1i再次转化为浮点数T1f，对T和T1f进行浮点数减法，并完成剩余的插值步骤。本专利技术的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，能够充分发挥FPGA硬件并行性的技术优势，在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算，为基于较小的仿真步长的光伏发电系统的实时仿真奠定了基础。附图说明附图1是单二极管等效电路求解示意图；附图2是基于FPGA的光伏电池求解模块；附图3是基于FPGA的二极管饱和电流Is求解模块；附图4是本专利技术的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法流程图；附图5是单极光伏发电单元；附图6是直流电压仿真结果；附图7是光伏阵列输出电流仿真结果；附图8是光伏发电系统输出无功功率；附图9是光伏发电系统输出有功功率仿真结果；附图10是光伏发电系统输出A相电流仿真结果。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法做出详细说明。本专利技术的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，属于电力系统仿真领域，特别适用于光伏发电系统以及含光伏发电系统的有源配电网系统暂态实时仿真。本专利技术的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，光伏电池模型计算公式为其中，Iph为光生电流源电流，Is是二极管饱和电流，q为电子电量，k是玻尔兹曼常数，T为光伏电池工作的绝对温度值，n是二极管特性拟合系数，Rs和Rsh分别为表示光伏电池损耗的电阻，I是光伏电池输出电流，V是光伏电池输出电压，对于光伏电池的建模应将模型划分为电气系统和控制系统两部分，其中电气系统包括模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id的受控电流源以及模拟光伏电池内部损耗的电阻Rs和Rsh，控制系统实现光生电流源电流Iph和二极管电流Id的具体计算；2)由于模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id的受控电流源处于并联关系，计算相互独立，因此将模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id设置为第一系统和第二系统，在FPGA中开辟独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算；3)针对作为第一系统的光生电流源电流Iph进行计算，Iph的计算公式为：其中，Iph,ref为标准条件下的光生电流值，S为实际光照强度，Sref为标准条件下的光照强度，CT为温度系数，Tref为标准条件下电池工作的绝对温度，基于FPGA针对Iph进行计算是采用3个浮点数乘法器和2个浮点数加法器；4)针对作为第二系统的二极管电流Id的计算公式为：其中，Is和可进一步分配独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算，二极管饱和电流Is的计算公式为：Is=AT3e[-EgnkT]Eg=1.16-0.000702T2T-1108,]]>其中，Eg为禁带宽度，A为温度系数；基于FPGA针对In进行计算是采用4个浮点数乘法器、2个浮点数加法器以及1个浮点数指数函数计算单元；5)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；6)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；7)由电气系统计算出光伏电池输出电压V和电流I，并传入控制系统的光伏电池模型中，光生电流源电流Iph、二极管饱和电流Is以及In进行并行计算，再通过二极管饱和电流Is和In计算二极管电流Id，随后光生电流源电流Iph和二极管电流Id以受控电流源的形式参与电气系统的计算；8)判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤6)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，光伏电池模型计算公式为其中，Iph为光生电流源电流，Is是二极管饱和电流，q为电子电量，k是玻尔兹曼常数，T为光伏电池工作的绝对温度值，n是二极管特性拟合系数，Rs和Rsh分别为表示光伏电池损耗的电阻，I是光伏电池输出电流，V是光伏电池输出电压，对于光伏电池的建模应将模型划分为电气系统和控制系统两部分，其中电气系统包括模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id的受控电流源以及模拟光伏电池内部损耗的电阻Rs和Rsh，控制系统实现光生电流源电流Iph和二极管电流Id的具体计算；2)由于模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id的受控电流源处于并联关系，计算相互独立，因此将模拟光生电流源电流Iph和二极管电流Id设置为第一系统和第二系统，在FPGA中开辟独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算；3)针对作为第一系统的光生电流源电流Iph进行计算，Iph的计算公式为：其中，Iph,ref为标准条件下的光生电流值，S为实际光照强度，Sref为标准条件下的光照强度，CT为温度系数，Tref为标准条件下电池工作的绝对温度，基于FPGA针对Iph进行计算是采用3个浮点数乘法器和2个浮点数加法器；4)针对作为第二系统的二极管电流Id的计算公式为：其中，Is和可进一步分配独立的FPGA计算资源在控制系统中进...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，丁承第，王成山，王智颖，赵金利，盛晔，叶志军，
申请(专利权)人：国家电网公司，天津大学，国网浙江省电力公司，国网浙江省电力公司绍兴供电公司，
类型：发明
国别省市：北京;11