基于fpga的仿真系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及仿真技术领域，特别涉及一种基于FPGA的仿真系统及方法。
【背景技术】
[0002] 与交流输电相比，高压直流输电具有输送功率容量大、损耗小、输送距离远、稳定 性好等特点，而有广阔的应用前景。随着大功率电力电子器件的日益发展，采用电力电子 器件构成的直流变压器可以实现直流变压功能，减少变压器的体积和成本，有利于直流电 网的发展和普及。
[0003] 现有技术中，可以采用MATLAB/Simulink软件对直流变压器的数学模型进行仿真 验证与测试。传统的基于CPU(中央处理单元）的仿真平台的缺点是仿真速度慢，对于电力 电子器件高速实时仿真来说远远不能满足。
【发明内容】
[0004] 本发明解决的问题在于提供一种基于FPGA的仿真系统及方法，可以提高对待模 拟器件的仿真速度。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于FPGA的仿真系统，包 含：建立模型模块、处理模块与现场可编程门阵列FPGA模块；
[0006] 所述建立模型模块经所述处理模块与所述FPGA模块连接；
[0007] 所述建立模型模块，用于利用图形化编程方法搭建待模拟器件的电路拓扑模型；
[0008] 所述处理模块，用于将所述建立模型模块建立的所述电路拓扑模型映射到所述 FPGA模块，并控制所述FPGA模块根据所述电路拓扑模型进行解算，对所述待模拟器件进行 仿真模拟；
[0009] 其中，所述FPGA模块还用于在首次接收到待模拟器件的电路拓扑模型时对所述 电路拓扑模型进行编译。
[0010] 本发明的实施方式还提供了一种基于FPGA的仿真方法，应用于基于FPGA的仿真 系统；其中，所述基于FPGA的仿真系统包含现场可编程门阵列FPGA模块；
[0011] 所述基于FPGA的仿真方法包含以下步骤：
[0012] 利用图形化编程方法搭建待模拟器件的电路拓扑模型；
[0013] 将所述电路拓扑模型映射到所述FPGA模块，并控制所述FPGA模块根据所述电路 拓扑模型进行解算，对所述待模拟器件进行仿真模拟；
[0014] 其中，所述FPGA模块还在首次接收到待模拟器件的电路拓扑模型时对所述电路 拓扑模型进行编译。
[0015] 本发明实施方式相对于现有技术而言，由于FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）模块的仿真步长可以达到纳秒级别，所以可以利用FPGA模块对 待模拟器件进行高速仿真；而且，FPGA模块仅在首次接收到待模拟器件的电路拓扑模型时 对电路拓扑模型进行编译，之后无论电路拓扑模型的电路拓扑结构和参数是否调整，不再 对待模拟器件的电路拓扑模型进行编译，可以大大缩短待模拟器件的开发周期。
[0016] 另外，所述FPGA模块还用于对所述电路拓扑模型中的电力电子开关器件、储能元 器件进行离散化处理，将所述电力电子开关器件、所述储能元器件均等效为定导纳与电流 源并联的电路。对电路拓扑模型中的电力电子开关器件、储能元器件进行离散化处理，可以 实现对待模拟器件进行高效实时仿真。
【附图说明】
[0017] 图1是根据本发明第一实施方式的基于FPGA的仿真系统结构示意图；
[0018] 图2是根据本发明第一实施方式中的DAB电路结构示意图；
[0019] 图3是根据本发明第一实施方式中的理想开关电路结构示意图；
[0020] 图4是根据本发明第一实施方式中的等效开关电路结构示意图；
[0021] 图5是根据本发明第一实施方式中的DAB电路的离散化等效电路结构示意图；
[0022] 图6是根据本发明第一实施方式中的采用移相控制的方法时DAB电路的等效电路 结构示意图；
[0023] 图7是根据本发明第一实施方式中的开关管控制信号以及DAB电路的波形图；
[0024] 图8是根据本发明第二实施方式的基于FPGA的仿真方法流程示意图。
【具体实施方式】
[0025] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实 施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中， 为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基 于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方 案。
[0026] 本发明的第一实施方式涉及一种基于FPGA的仿真系统，具体结构如图1所示，包 含：建立模型模块、处理模块与FPGA(现场可编程门阵列）模块，建立模型模块经处理模块 与FPGA模块连接。
[0027] 建立模型模块用于利用图形化编程方法搭建待模拟器件的电路拓扑模型。处理模 块用于将建立模型模块建立的电路拓扑模型映射到FPGA模块，并控制FPGA模块根据电路 拓扑模型进行解算，对待模拟器件进行仿真模拟。其中，FPGA模块还用于在首次接收到待 模拟器件的电路拓扑模型时对电路拓扑模型进行编译。
[0028] 相对于现有技术而言，由于FPGA模块的仿真步长可以达到纳秒级别，所以可以利 用FPGA模块对待模拟器件进行高速仿真；而且，FPGA模块仅在首次接收到待模拟器件的电 路拓扑模型时对电路拓扑模型进行编译，之后无论电路拓扑模型的电路拓扑结构和参数是 否调整，不再对待模拟器件的电路拓扑模型进行编译，可以大大缩短待模拟器件的开发周 期。
[0029] 下面以在MATLAB/Simulink的SimPowerSystems中搭建建立模型模块、待模拟器 件为直流变压器为例进行详细说明。Xilinx System Generator(XSG)是Xilinx公司开 发的基于MATLAB/Simulink的工具箱，是业内领先的高级系统级FPGA开发工具，可以和 Simulink实现无缝连接，快速建模并自动生成代码。此外System Generator (系统生成器） 集成了先进的FPGA设计工具及IP核，支持Xilinx公司全系列的FPGA芯片，提供从初始算 法验证到硬件设计的通道。其最大特点就是可利用Simulink建模和仿真环境来实现FPGA 设计，而无需了解和使用RTL(寄存器转换级）硬件语言，充分发挥FPGA的性能和灵活性， 缩短开发周期。
[0030] 在本实施方式中，处理模块包含解算映射子模块、调理子模块、数据接收子模块与 数据发送子模块；FPGA模块包含控制子模块、解算子模块、数据输入子模块与数据输出子 模块。其中，解算子模块与建立模型模块、数据发送子模块分别连接，数据发送子模块还与 数据输入子模块、调理子模块连接，调理子模块还与数据接收子模块连接；数据输入子模 块分别与解算子模块、控制子模块连接，解算子模块与控制子模块、数据输出子模块分别连 接，数据输出子模块还与数据接收子模块连接。
[0031] 仿真时，在MATLAB/Simulink的SimPowerSystems中利用图形化编程方法搭建直 流变压器的电路拓扑模型，其中直流变压器中的元器件包括功率开关管、电感、隔离变压 器、受控电压源，还包括电压电流的测量模块；其中，功率开关管为电力电子开关器件，电感 为储能元器件。在MATLAB/Simulink的SimPowerSystems中可以调整直流变压器的电路拓 扑模型的拓扑结构和参数。
[0032] 在本实施方式中，直流变压器的电路拓扑结构为双有源桥（DAB)电路，具体如图2 所示，也就是双向全桥DC/DC变换器（双向全桥直流变换器）。DAB电路包含电压源型换流 器201、电压源型换流器202与变压器T。DAB电路可以实现电压与功率的双向流动，其直流 端分别与待互联的两个直流电网相连接，交流端通过交流变压器T互联在一起。两直流电 网间传输的功率将先经过一个换流器201，经直流/交流变换逆变为交流电，该交流电经交 流隔离变压器T传输至另一个换流器202的交流端，再由另一个换流器202经交流/直流 变换整流为直流电。
[0033] 其中，电压源型换流器201包含IGBT (绝缘栅双极型晶体管）Sl、s2、s3、S4与电感 L，U1为输入电压、u hl为电压源型换流器201的输出的交流电压，电压源型换流器202包含 IGBT\、.s'()、.V7、吟2为电压源型换流器202的输入的交流电压，U 2为输出电压，其 中η为隔离变压器T的变比。
[0034] 建立模型模块还在完成搭建电路拓扑模型后，生成网表文件，并将网表文件经解 算映射子模块输出至FPGA模块中的解算子模块。
[0035] 解算映射子模块将建立模型模块建立的电路拓扑模型映射到解算子模块。调 理子模块对第一控制信号进行调理，并将调理后的第一控制信号依次经数据发送子 模块、数据输入子模块输出至控制子模块。在本实施方式中，DAB电路米用单移相 (single-phase-shift，SPS)控制，所以，第一控制信号为载波移相控制信号。
[0036] 控制子模块根据第一控制信号产生第二控制信号，并将第二控制信号输出至解算 子模块。解算子模块从网表文件中读取电路拓扑模型中的受控电源的参数，并根据第二控 制信号与受控电源的参数对电路拓扑模型进行解算。
[0037] 具体地说，在解算时，FPGA模块中的解算子模块对电路拓扑模型中的电力电子开 关器件、储能元器件进行离散化处理，将电力电子开关器件、储能元器件均等效为定导纳与 电流源并联的电路。比如，若理想开关301如图3所示，则等效开关401如图4所示。其中， 1为通过理想开关301的电流，u s为理想开关301两端的电压，G s为开关导纳，j 3为等效电 流源。
[0038] 在第（n+1)个仿真步长内开关状态sn+1取决于其前一个步长的开关状态sn，其中， \为1表示导通，为0表示关断；j s n+1表示在第（n+1)个仿真步长内的等效电流源的值， 其取决于前一个步长的电压值、电流值，即vs_ n和i s_n，并与当前的开关状态有关，具体如式 (1)所示
[0040] 对于理想开关模型，工作过程可以等效成储能元件，即导通时为小电感Ls，关断时 为小电容cs。采用反向欧拉法进行离散化处理，可得
[0042] 其中，T为仿真步长，Vy为第η个仿真步长内电容Cs两端的电压，vl n+1为第n+1 个仿真步长内电感Ls两端的电压，i l n为第η个仿真步长内通过电感L s的电流。将传统储 能元件（电容、电感）利用图4所示的离散模型进行离散化，根据式⑴可得，
[0044] 其中，G。、G1为储能元件离散等效电路的导纳，为定常数。G s= G。=