[发明专利]一种适用于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真方法有效

专利信息
申请号: 201810290036.6 申请日: 2018-04-03
公开(公告)号: CN108549758B 公开(公告)日: 2021-07-27
发明(设计)人: 贺光辉;李雄飞 申请(专利权)人: 上海交通大学
主分类号: G06F30/34 分类号: G06F30/34
代理公司: 上海恒慧知识产权代理事务所(特殊普通合伙) 31317 代理人: 张宁展
地址: 200240 *** 国省代码: 上海;31
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摘要:
搜索关键词: 一种 适用于 fpga 模块化 电平 换流 实时 仿真 方法
【说明书】:

本发明提出了一种适用于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真方法,根据替代桥臂等效电路模型将解耦的模块化多电平换流器电路在FPGA上实现实时仿真计算。利用替代桥臂等效电路模型中子模块等效计算过程与桥臂等效电感计算过程无耦合的特点实现了计算步骤的并行;同时通过设计一个专用的浮点数累加电路处理子模块串合并过程,实现了浮点数精度的子模块电压电阻数据累加,确保了可以在满足FPGA平台硬件资源约束的同时,获得较高的计算精度。本发明系统框架清晰明确,控制逻辑简单有效,实现方便,适用于模块化多电平换流器在FPGA等并行架构平台上的电磁暂态实时仿真计算。

技术领域

本发明涉及电磁暂态实时仿真技术领域和硬件加速领域,特别涉及一种适用于可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的模块化多电平换流器 (ModularMulti-level Converter,MMC)的电磁暂态实时仿真方法。

背景技术

模块化多电平换流器以其低谐波、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。它通过将多个子模块级联的方式,可以叠加输出很高的电压,并且还具有输出谐波少、模块化程度高等特点,因而在电力系统中具有广泛的应用前景。相比于传统的两三电平的基于电压源换流器 (Voltage SourcedConverter,VSC)的高压直流输电系统,模块化多电平换流器系统可以达到更大的负载容量,换流阀制造难度也得以下降,波形质量更高,损耗更低。但是其复杂的电路拓扑和控制系统对系统的稳定性和可靠性提出了挑战,这使得含有模块化多电平换流器的电气网络系统的电磁暂态仿真成为了电磁暂态仿真的研究热点。

模块化多电平换流器中一般包含数千个子模块,使得模块化多电平换流器系统的建模和仿真需要消耗的计算资源很大。同时模块化多电平换流器的动作频率很高,因而精确仿真其电磁暂态特性需要达到的仿真步长必须很小。传统依靠的CPU架构的计算单元的电磁暂态仿真建模有很大的局限和瓶颈。

而在电磁暂态仿真研究中,FPGA依靠其可重构和高度并行化架构的特性得到了越来越多地应用。与CPU相比,FPGA可以实现更大规模的电路,同时其并行化架构使得系统电磁暂态仿真可以达到一个很小的仿真步长。因此FPGA十分适合作为模块化多电平换流器的仿真平台。但是,FPGA板上的资源仍是有限的,为了在相同资源下实现较大规模的电磁暂态仿真,同时保持较高的仿真精度,需要根据 FPGA架构的特点设计适合的电路模型,高效率的利用FPGA板上的硬件资源。

经检索发现,中国专利公开号为:CN201710385523.6,名称为:一种基于现场可编程门阵列的模块化多电平换流器实时仿真建模方法,公开日期为:2017-09-15,该技术提出了一种应用现场可编程门阵列实现模块化多电平换流器仿真建模的方法,能实现MMC系统的小步长仿真,所设计子模块流水线架构并行计算,极大的减少计算时间,满足实时仿真的需求。然而该仿真实验平台内部在进行加法及累加操作时需要将浮点数转换为定点数进行计算,损失了部分仿真精度,同时仅针对桥臂子模块串等效电路求解部分进行了并行,并行度仍有待提高。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真方法,该方法可以充分利用FPGA板上资源和时序,采用了一个改进的混合数据循环累加电路实现MMC仿真过程中浮点多数据集混合累加过程,并对计算逻辑进行了深度优化,实现一个拥有较高仿真精度的模块化多电平换流器仿真计算模型,且该模型支持较大规模的子模块数量和极小的仿真步长,满足更广泛的真实应用场景的仿真实验需求。

本发明提供的一种适用于FPGA的模块化多电平换流器实时仿真方法,能够在数据交互和内部计算时都保持IEEE 754单精度浮点数标准的条件下实现模块化多电平换流器的小步长快速实时仿真,并且在子模块串分组并行求解的基础上通过桥臂等效电感求解并行和桥臂等效传输线端口求解并行等方式提高FPGA系统的并行度,显著缩短了FPGA上模块化多电平换流器的仿真步长。

为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:

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