[发明专利]基于FPGA的风电场实时仿真器模块级流水线设计方法

说明书

本发明的一种基于FPGA的风电场实时仿真器模块级流水线设计方法，基于风电场的拓扑结构和FPGA的硬件资源，将风电场划分为多个子系统，根据风电场的拓扑连接关系与FPGA的硬件资源，通过系统分割、并行求解以降低解算规模，并将分割后各子系统的计算任务以模块级流水线的形式进行求解，充分发挥了模块级流水线仿真求解的优势，在保证求解实时性的同时，有效地提升了基于FPGA的风电场实时仿真器的仿真能力，保证了仿真实时性。特别是针对更大规模风电场的实时仿真，通过采用模块级流水线的求解架构，可在满足实时仿真精度的前提下，有效节省实时仿真器的硬件仿真资源，为实现基于FPGA的更大规模风电场实时仿真奠定了基础。

技术领域

本发明涉及一种仿真器模块级流水线设计方法。特别是涉及一种基于FPGA的风电场实时仿真器模块级流水线设计方法。

背景技术

近年来，风力发电在电力系统中的渗透率日益增高。然而由于风机在运行过程中受风速和湍流强度等不确定因素影响，风电场的接入对电力系统的运行灵活性和安全稳定性带来了一定冲击。由于风电场往往位于距离负荷中心较远的电网边缘地区，风能的波动会引起风电机组吸收大量无功，导致电网出现电压稳定问题；同时风电场在经长距离串联补偿线路并入大电网时，可能会自激或互激引发谐振，进而引起诸如感应发电机效应和次同步控制相互作用等严重的次同步振荡现象，威胁电力系统的安全稳定运行。此外，风电场中除包含有大量风力发电机等一次设备外，还包括各种电力电子控制器等二次设备，导致其动态特性相较于以往更加复杂。因此必须借助有效的仿真方法与工具来经济、高效、准确地研究风电场的运行特性，尤其是在风速变化、短路故障和并网等场景下的动态特征。

风电场实时仿真通过对风机及其各种相关控制装置建立详细的数学模型，并在微秒级的仿真步长下对风电场模型进行快速求解，能够最细致全面地模拟出风电场在各种扰动下的复杂动静态特性。更重要的是，风电场实时仿真具备硬件在环的能力，通过将实时仿真器与风电场中的实际物理设备相连，能够对各种保护装置、电力电子控制设备、通讯装置等进行在线测试，有效降低研发及试验成本，避免待测设备对实际风电场的影响。

然而，风电场日益庞大的仿真规模和种类多样的电力电子设备对实时仿真器的仿真精度、计算速度、硬件资源提出了严峻的挑战。在风电场中，换流器等高频电力电子设备的存在会带来数值震荡等一系列问题，对该类元件的精确仿真通常需要非常小的仿真步长；另外，风电场中各种风机控制设备的数学模型具有很强的非线性，对于非线性系统的处理使得风电场的仿真求解规模更加庞大，同时也意味着需要更长的计算时间。这种仿真步长与求解规模之间的矛盾给风电场仿真的实时性带来了极大的考验，也为实时仿真器的硬件资源带来了严重的负担。

基于常规CPU处理器或DSP等串行硬件的实时仿真器囿于处理速度和物理结构的限制，在较小的仿真步长下实现风电场实时仿真计算的能力较为有限，而基于FPGA的计算求解为风电场的实时仿真提供了一种新的思路。FPGA是专用集成电路领域的一种半定制电路，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并行处理单元并实现多层级高度并行计算；同时，FPGA上具有大量嵌入式存储块，可配置为大量分布式ROM或RAM；此外，FPGA还拥有丰富的传输速度极快的内部连线，不会引入过大的通讯延迟；更为重要的是，FPGA允许使用流水线技术，针对风电场实时仿真中可分为若干步骤且单流向处理数据的计算流程，流水线技术通过延伸重叠方式，使指令解释过程进一步细化，在提高程序处理单元利用率的同时，加快指令执行速度，大大增强了基于FPGA的风电场实时仿真器的数据处理能力；FPGA的这些硬件结构特征为风电场实时仿真器的高效精确求解奠定了坚实的基础。

根据风电场的拓扑连接关系与FPGA的硬件资源，通过系统分割、并行求解以降低解算规模，并将分割后各子系统的计算任务以模块级流水线的形式进行求解，是提升实时仿真器计算速度、保证仿真实时性的有效手段。特别是针对更大规模风电场的实时仿真，通过采用模块级流水线的求解架构，可在满足实时仿真精度的前提下，有效节省实时仿真器的硬件仿真资源。

发明内容