一种基于FPGA-CPU的双馈风电系统实时仿真方法与流程

本发明涉及风力发电并网及暂态研究，具体为一种基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法。

背景技术：

1、随着新能源发电技术的迅速发展，风力发电技术的研究受到越来越多的重视，其中双馈风电系统作为主要的风电系统之一，其离线并网及暂态研究已日趋成熟，同时随着并网规模越来越大及电力电子设备接入的比例越来越高，传统的离线仿真也无法满足实时性及暂态性的要求。

2、与传统的离线仿真相比，实时仿真能更加准确地反映出模型的运行机理，更好地体现模型的动态特征，使其更加接近网络运行的实际情况，因此很有必要通过高效、准确的实时仿真来深入了风电系统的并网特性及暂态特征；rtds，rt-lab和hypersim等传统的仿真器具有较强的实时仿真能力，但其仍旧保持着串行传输的特征，相较于rtds，rt-lab和hypersim实时仿真器，fpga具有高度并行性，具有分布式内存单元以及流水线架构；此外，fpga还具有成本低、操作方便、扩展性强等优点，使其逐步成为了电力系统实时仿真的主要设备之一；目前，针对大规模的仿真系统及不同步长的仿真模型，基于多种处理器的多速率协同仿真已逐步成为实时仿真系统的发展趋势；对于异步长系统的协同仿真，多速率的数据交互也就成为了联合仿真的关键。

3、值得注意的是，以往大多文献所提出的一些多速率协同仿真算法实现难度较大，换流器建模的方法相对复杂，且很难保证建模的数值稳定性和仿真的实时性，所以很有必要对适用于双馈风电系统实时电磁暂态仿真建模方法进行研究。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明解决的技术问题是：大规模双馈风电系统给仿真机带来的实时化处理困难、单个仿真机资源不足、多速率协同仿真困难和存在小步长数据严重丢失的问题。

4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法，包括：将双馈风电系统进行模型分割，以200ns步长运行“背靠背”换流器系统，以50us步长运行风机与外部电网和监测系统；使用速率转换器实现不同步长之间的数据交互，采用pc作为监测设备实时观测仿真运行结果；利用开关函数法对所述“背靠背”换流器构建仿真模型，基于分时复用原则对所述仿真模型进行优化，并将所述仿真模型转换为fpga可识别的硬件描述语言；在cpu中运行所述风机与外部电网，使用udp传输协议完成fpga与cpu的异步通信，实现多处理器的异步并行协同仿真。

5、作为本发明所述的基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法的一种优选方案，其中：所述双馈风电系统包括风机与外部电网、监测系统和“背靠背”换流器系统。

6、作为本发明所述的基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法的一种优选方案，其中：所述pwm波的处理包括，

7、基于面积等效原则，对每个大步长周期ts内的多个小步长电压进行平均化处理，并在大步长结束的前一个小步长内完成电压的均值化计算；

8、fpga将当前大步长内的小步长运行结果的平均值提前发出，cpu在下一大步长使用所述平均值进行仿真；

9、重复所述仿真过程，可将小步长内的多个pwm效果进行平均化处理，结果可间接反映小步长运行的当前状态。

10、作为本发明所述的基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法的一种优选方案，其中：所述仿真模型的构建包括，

11、涡轮机通过齿轮箱带动感应电机的转子转动，转子侧通过所述“背靠背”换流器后接入电网中，而定子侧则直接入网；

12、设定在某一时刻，网侧a、b相的上桥臂导通，c相的下桥臂导通，转子侧a相的上桥臂导通，b、c相的下桥臂导通，则网侧和转子侧的电压的计算包括，

13、

14、其中，vg表示网侧的相相电压，vr表示转子侧的相相电压，a和b表示系数矩阵，g表示网侧触发脉冲信号，g'表示转子侧触发脉冲信号，vdc表示直流母线电容电压，ig表示网侧的相相电流，ir表示转子侧的相相电流，ron表示每个三相换流器的导通电阻；

15、根据三相的对称性，得到网侧和转子侧的功率，所述网侧和转子侧的功率的计算包括，

16、

17、其中，pg表示网侧的三相功率，pr表示转子侧的三相功率，vab_g表示网侧的ab相相电压，vab_r表示转子侧的ab相相电压，iag表示网侧的a相电流，iar表示转子侧的a相电流，vbc_g表示网侧的bc相相电压，vbc_r表示转子侧的bc相相电压，ibg表示网侧的b相电流，ibr表示转子侧的b相电流；

18、将所述网侧和转子侧的功率与电压相除，得到网侧和转子侧流入电容的电流，所述网侧和转子侧流入电容的电流的计算包括，

19、

20、其中，idc_g表示网侧流入电容的电流，idc_r表示转子侧流入电容的电流。

21、作为本发明所述的基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法的一种优选方案，其中：还包括，

22、将所述网侧和转子侧流入电容的电流相加得到流入电容的电流，对所述流入电容的电流进行积分得到电容电压，所述电容电压的计算包括，

23、

24、其中，idc表示流入电容的电流，c表示系数。

25、作为本发明所述的基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法的一种优选方案，其中：所述仿真模型的优化包括，

26、数据分配器将换流器的运行结果按时序分配给网侧和转子侧输出，将所述网侧和转子侧输出的电流通过相加、积分的操作得到直流母线电容电压vdc，vdc经延时后反馈给换流器作输入；

27、网侧和转子侧的输出电压和直流母线电容电压vdc分别通过速率转换器后以50us的大步长参与风机及电力网的仿真，优化后的电压矩阵v的计算包括，

28、v＝a′g″vdc-b′igron

29、其中，a'和b'表示系数矩阵，g”表示触发脉冲矩阵。

30、作为本发明所述的基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法的一种优选方案，其中：所述速率转换器的转换原理包括，

31、网侧的输入参数是网侧换流器的出发脉冲调制电压和网侧电流，转子侧的输入参数是转子侧换流器的出发脉冲调制电压和转子侧电流；

32、所述输入参数先经过速率转换器实现大步长到小步长的转变，随后经过数据选择器实现换流器的分时输入。

33、作为本发明所述的基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法的一种优选方案，其中：所述可识别的硬件描述语言的转换包括，

34、选择simulink仿真工具提供的hdl workflow advisor将所述仿真模型直接转化为fpga可识别的硬件描述语言，代码生成过程中为满足200ns的小步长仿真需求，将仿真主时钟设置为100mhz，过采样因子设置为20。

35、作为本发明所述的基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法的一种优选方案，其中：所述fpga与urep异步协同仿真的步骤包括，

36、urep仿真协议以50us的大步长运行风机及外部电网，并将运行的pwm触发信号的调制电压数据以相同步长并行发送至fpga中；

37、在urep发送使能信号拉高后开始接收数据，并用以太网通信芯片phy的工作频率将接收到的数据存放在异步fifo1中，当数据全部接收完毕后，一次性将所述fifo1中的数据以fpga工作主频读出，并赋值给所述“背靠背”换流器模块的输入；

38、所述“背靠背”换流器以小步长在fpga上运行，当运行计数器达到45us时，将运行的数据依次以100mhz的频率存入异步fifo2中，并在最后一个数据存放的同时拉高udp发送使能信号，开始由fpga向urep发送小步长pwm均值化的并行数据；

39、urep将在第二个50μs时刻发送数据的同时接收fpga传送过来的数据，并将接收的数据用于模型的运行。

40、作为本发明所述的基于fpga-cpu的双馈风电系统实时仿真方法的一种优选方案，其中：所述pc的监测包括通过simulink仿真工具实现所述“背靠背”换流器硬件描述语言的开发，fpga和cpu分别通过以太网实现数据交互，pc完成cpu初始化后接收模型的待观测信号。

41、本发明的有益效果：本发明使用模型分割方法将整个双馈风电系统切分为“背靠背”换流器和风机及外部电力网，将分割后的子系统分配到fpga和cpu中运行，其中fpga实现“背靠背”换流器的200ns小步长仿真，cpu上以50us的大步长运行风机及外部电力网，使用以太网实现fpga和cpu的异步并行协同仿真，针对“背靠背”换流器部分，本发明使用simulink中的hdl coder库元件进行搭建，基于分时复用原则进行资源优化，使用workflowadvisor转化为fpga可识别的hdl代码，针对模型分割导致不同步长系统间数据严重丢失问题，本发明基于面积等效原理，使用pwm均值化对小步长数据进行均值处理，减小了异步长数据交互的误差；本发明解决了大规模双馈风电系统给仿真机带来的实时化处理困难、单个仿真机资源不足、多速率并行协同仿真困难和存在小步长数据严重丢失等技术问题。