基于FPGA的并网逆变器电磁暂态实时仿真器研究

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化石能源的不断枯竭以及新能源发电的广泛应用使得作为新能源发电核心的并网逆变器得到广泛应用。并网逆变器中存在的电力电子器件,在新能源并网时对电力系统的稳定运行带来极大的挑战,因此对并网逆变器进行电磁暂态实时仿真具有重要的意义。由于并网逆变器中电力电子器件开关频率高,传统的离线仿真无法实时反映电力电子器件发生故障后的电磁暂态过程,因此电磁暂态实时仿真器的研究受到关注。本文基于现场可编程门阵列(FPGA)对电磁暂态实时仿真器进行研究,充分利用FPGA的优点。运用FPGA实现了并网逆变器电磁暂态实时仿真器的设计,并进行了相应的研究与分析。通常,电磁暂态实时仿真器中的逆变器建模包含元器件建模以及电路结构建模两个方面。在元器件建模方面,将离散积分法中的数值积分法与根匹配法进行分析与对比,选择在精度与准确性上具有巨大的优势的a指数类型的根匹配法作为元器件建模的核心算法。在电路结构建模方面,采用改进节点法对电路结构的进行分析。分别对单相逆变器以及并网逆变器的工作状态、矩阵生成以及开关器件的开通关断过程采用上述方法进行建模,并在FPGA中搭建了单相逆变器模型。对单相逆变器和并网逆变器分别采用单极性SPWM脉宽调制法和双极性SPWM脉宽调制法进行控制,并在FPGA中设计与实现两种控制模块。将电磁暂态实时仿真器的硬件系统分解为仿真全局控制模块、电气系统模块、控制系统模块与输出模块四个部分,在电气系统模块中,使用有限状态机对逆变器的求解过程进行说明,利用FPGA并行计算的优势,完成电磁暂态实时仿真的要求,对这四个模块相互之间的连接关系以及它们内部的结构进行了阐述。对单相逆变器与并网逆变器在稳态工作条件以及开关器件(11发生断路故障的暂态情况下进行了实验,分别在MATLAB/Simulink中进行了离线仿真,与文中设计的电磁暂态实时仿真器以及商业实时仿真器RT-LAB中进行了实时仿真。将上述三个波形分别从仿真波形的误差大小与准确度方面进行对比分析,结果表明,基于FPGA的电磁暂态实时仿真器具有较好的准确性、优异性以及较高的精度。
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