一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法技术

本发明专利技术公开一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法，该方法首先根据被仿真对象的物理电路模型，求解其数学方程，然后利用NI LabVIEW软件图形化的编程语言建立并网逆变器主电路仿真模型；然后将仿真模型下载到FPGA开发板中，利用FPGA的时钟模块和逻辑资源还原实际并网逆变器运行过程，实现对并网逆变器的实时调节及性能分析。该方法开放灵活，简单易行，相较于商业半实物仿真平台，相同的性能情况下，成本大幅度降低。成本大幅度降低。成本大幅度降低。

【技术实现步骤摘要】
一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法


[0001]本专利技术属于新能源控制
，具体是一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法。

技术介绍

[0002]当前的电力系统多以集中式发电为主，随着新能源的广泛接入，电网结构将发生显著的变化，逐渐向分布式发电的结构演化。光伏并网系统的输出装置是并网逆变器，并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部件和技术关键，它将光伏阵列发出的直流电转换为与电力网相同的交流电。逆变器作为新能源并网的核心载体，承担着电能质量管理，运行状态监测与切换，功率分配等多项职责，其控制性能决定了新能源并网的成败。然而，由于高阶LCL滤波器的使用、新能源本身的间歇性、新能源大量并网造成的弱电网特性等因素，逆变器的控制难度在不断增加。因此，面向新能源并网应用场景的半实物仿真系统成为了国内外竞相研究的课题。
[0003]借助新能源并网半实物仿真系统，可以非常便捷地实现对新型逆变器控制算法的快速验证，同时还兼具安全性和可重复性，能够显著提高新能源并网系统的研发效率和可靠性。然而，现有的半实物仿真方法大多基于MATLAB的模型库，并且在使用时需要绑定硬件产品，如OPAL
‑
RT，RTDS等公司出品的半实物仿真系统。但是给定的模型库存在着模型本身的开放程度低的问题，且硬件产品价格十分昂贵，动辄十几万到几十万元不等。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的为针对当前半实物仿真技术中存在的不足，提出了一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法，根据被仿真对象的物理电路模型，求解其数学方程，利用NI LabVIEW软件图形化的编程语言建立并网逆变器主电路仿真模型；然后将仿真模型下载到FPGA开发板中，利用FPGA的时钟模块和逻辑资源还原实际并网逆变器运行过程，实现对并网逆变器的实时调节及性能分析。
[0005]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是：设计一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法，该方法包括如下步骤：
[0006]步骤(1)：建立并网逆变器主电路模型
[0007]根据选用的并网逆变器的主电路结构，以电路学中欧姆定律和基尔霍夫定律两大定律为理论依据，构建其主电路的数学模型，即根据电路中的电容与电感所在支路满足的电压、电流关系列写电路方程组。
[0008]步骤(2)：状态空间方程组推导
[0009]选取并网逆变器侧电感电流为i
L
、并网侧并网电流为i
G
、电容电压v
C
为状态变量，对步骤(1)中的电路方程组的连续微分形式离散化，将关于时间变量t的连续电路方程转化为基于前向欧拉法的差分方程，得到关于三个状态变量的状态空间方程组。
[0010]步骤(3)：仿真模型建立
[0011]在仿真计算机中根据步骤(2)推导出的状态空间方程组，利用NI LabVIEW图形化的编程语言建立并网逆变器主电路的仿真模型。
[0012]步骤(4)：半实物仿真计算
[0013]将步骤(3)中建立的并网逆变器主电路的仿真模型下载至通用FPGA开发板中。由并网逆变器主电路的结构确定V
DC
与v
inv
的理论关系，并使用“选择”逻辑来实现此关系。利用FPGA的时钟模块设置定时循环周期，给定状态空间方程组中各参数的初值，利用FPGA的并行高速计算功能配合时钟模块，按照方程给出的状态变量间的数学关系，在每个仿真时步，由已知的上一个仿真时步的状态变量求解当前仿真时步的状态变量；同时，在每个仿真时步输出状态变量值，并将这些状态变量实时地进行数字模拟输出，输入到真实控制器以供其进行分析处理，真实控制器输出PWM信号。该PWM信号通过数字输入/输出模块后输入到FPGA中的并网逆变器主电路仿真模型中，进行下一开关周期的仿真求解，不断循环，实现光伏并网系统的半实物仿真。
[0014]与现有技术相比，本专利技术有益效果在于：
[0015]1.对并网逆变器主电路进行建模，实现并网逆变器基于FPGA的半实物仿真，满足目前并网逆变器实验验证的需求。
[0016]2.该建模方法开放灵活，可根据所做实验的目的或仿真精度要求自定义仿真模型的求解方法。
[0017]3.该建模方法简单易行，可利用图形化的编程方法实现模型求解，不需要复杂的文本编程语言，极大提高了程序开发效率。
[0018]4.该建模方法可用于通用FPGA开发板实现半实物仿真，相较于商业半实物仿真平台，相同的性能情况下，成本大幅度降低。
附图说明
[0019]图1为本专利技术一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法一种实施例的并网逆变器电路结构图。
[0020]图2为本专利技术一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法一种实施例的并网逆变器主电路的仿真模型。
[0021]图3为本专利技术一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法一种实施例的实施过程的并网侧并网电流的波形图。
具体实施方式
[0022]下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细说明。
[0023]在本实施例中，以单相光伏并网系统中的并网逆变器主电路为对象建立仿真模型。
[0024]本专利技术提供一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法，该方法包括如下步骤：
[0025](1)建立并网逆变器主电路模型
[0026]本实施例的并网逆变器主电路采用比较常见的单相全桥逆变电路，滤波器为LCL型滤波器。并网逆变器主电路的逆变模块采用单相全桥逆变电路，如图1所示，图中Q1～Q4为
四个全控型功率开关器件，V
DC
为前级光伏模块输出到逆变器的直流电压，v
inv
为单相全桥逆变电路输出电压，电感L1、电容C和电感L2构成LCL型滤波器，v
G
为电网电压，R1和R2为等效电阻。现在令逆变器侧电感电流为i
L
，并网侧并网电流为i
G
，电容C的电压为v
C
。令S1～S4为开关器件Q1～Q4的开关函数，当开关器件Q
x
导通时，S
x
＝1，当开关器件Q
x
关断时，S
x
＝0。所以，当Q1和Q4同时导通，即S1＝S4＝1时，v
inv
＝V
DC
；当开关管Q2和Q3同时导通，即S1＝S4＝0时，v
inv
＝
‑
V
DC
。
[0027]并网逆变器主电路中含有电感L1、电容C和电感L2三个储能元件，根据电路学中欧姆定律和基尔霍夫电压电流定律建立并网逆变器主电路模型，即可建立三个电路方程。首先根据欧姆定律和基尔霍夫电压定律列写前两个方程，然后根据欧姆定律和基尔霍夫电流定律列写第三个方程，建立并网逆变器主电路模型如下：
[0028][0029](2)本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FPGA的单相光伏并网逆变器的半实物仿真方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤(1)：建立并网逆变器主电路模型根据选用的并网逆变器的主电路结构，以电路学中欧姆定律和基尔霍夫定律两大定律为理论依据，构建其主电路的数学模型，即根据电路中的电容与电感所在支路满足的电压、电流关系列写电路方程组；步骤(2)：状态空间方程组推导选取并网逆变器侧电感电流为i
L
、并网侧并网电流为i
G
、电容电压v
C
为状态变量，对步骤(1)中的电路方程组的连续微分形式离散化，将关于时间变量t的连续电路方程转化为基于前向欧拉法的差分方程，得到关于三个状态变量的状态空间方程组；步骤(3)：仿真模型建立在仿真计算机中根据步骤(2)推导出的状态空间方程组，利用NILabVIEW图形化的编程语言建立并网逆变器主电路的仿真模型；步骤(4)：半实物仿真计算将步骤(3)中建立的并网逆变器主电路的仿真模型下...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘青，侯琪，赖渲瑜，侯卓延，路若萱，艾凤明，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：