基于FPGA的电力电子硬件在环仿真研究

摘要

随着电力电子技术的发展，在汽车工业、航海、航天工业中，电力电子设备的使用越来越频繁，其控制系统也变得越来越复杂。电力电子系统通常来说都是较为复杂的，其具有非线性、时变的特点，因此对电力电子系统进行设计开发难度较大。通常都需要进行仿真测试试验来辅助产品的设计，这可以有效缩短开发设计周期、降低开发成本并提高产品的可靠性。硬件在环（Hardware in the loop,HIL）仿真被广泛的应用于电力电子系统的开发设计的过程中，如风力发电、太阳能光伏发电、新能源汽车等领域。本文主要针对电力电子硬件在环仿真开展了以下工作：
　　首先，研究了电力系统仿真的国内外研究现状，研究了电力系统实时仿真技术的发展；研究了硬件在环仿真技术的发展和优势，对几种工业界常用的硬件在环仿真平台：Simulink Real-Time系统仿真平台、ADI系统仿真平台、RT-LAB系统仿真平台、dSPACE系统仿真平台、RTDS系统仿真平台进行了详细的介绍。为研究者进行系统设计仿真时选择合适的系统仿真平台提供了一个方便快捷的参考。
　　第二，本文研究了电力电子系统仿真中的常微分方程的数值解法和电路回路方程的构建问题。详细的阐述了几种常微分方程的数值解法并对其数值稳定性进行了分析；并且本文对基于System Generator的现场可编程门阵列(Filed Programmable Gate Array,FPGA)开发方式和工具进行了深入的研究；最后以典型的电力电子Buck电路为例，使用梯形积分法和改进节点法建立其数学仿真模型，并在FPGA中实现其电路数学模型的仿真运算，与SimPowerSystems搭建的器件模型仿真结果进行对比，验证了使用FPGA进行电力电子硬件在环仿真的可行性。
　　第三，本文以目前在直流输电中使用和研究较为广泛的(Modular Multilevel Converter,MMC)拓扑为例，使用戴维宁等效定理和梯形积分法建立了MMC子模块的戴维宁等效数学模型。使用System Generator模块化设计开发工具在FPGA中实现其等效数学模型，分别建立起单个子模块和单相20电平MMC子模块FPGA仿真模型，与SimPowerSystems搭建的物理器件仿真模型分别进行对比，验证了数学模型的正确性。同时，仿真结果验证了使用FPGA进行电力电子硬件在环仿真的可行性。

目录

1 绪 论

1.1课题研究背景与意义

1.2电力系统仿真简介

1.3硬件在环仿真技术介绍

1.4 本章小结

2 电力电子系统仿真方法研究

2.1常微分方程的数值解法

2.2 电路回路方程的构建

2.3 本章小结

3 基于FPGA的电力电子技术建模

3.1 System Generator介绍

3.2 硬件平台介绍

3.3 Buck电路的FPGA实现

3.4 本章小结

4 模块化多电平换流器子模块建模仿真

4.1 模块化多电平换流器基础理论

4.2 模块化多电平换流器子模块模型

4.3 MMC子模块仿真验证

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 工作总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录

声明