本文選題：FPGA　切入點(diǎn)：有源配電網(wǎng)　出處：《天津大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)是配電網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新、概念驗(yàn)證、算法測(cè)試、裝備研發(fā)的重要平臺(tái)與手段,而有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真需要強(qiáng)大的計(jì)算能力以滿足數(shù)字仿真的實(shí)時(shí)性。本文以當(dāng)前備受關(guān)注的新型可編程邏輯器件FPGA為底層硬件,研究了有源配電系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真建模與系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,開(kāi)發(fā)了基于FPGA的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)。論文具體工作如下:(1)結(jié)合有源配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)仿真需求,提出了基于FPGA的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)整體框架,包括:提出了考慮系統(tǒng)級(jí)并行、模塊級(jí)并行以及底層并行的電氣系統(tǒng)多層級(jí)并行仿真框架和提出了基于節(jié)點(diǎn)分析法的模塊級(jí)并行設(shè)計(jì)方法;發(fā)展了基于順序求解的控制系統(tǒng)仿真框架,在該框架下考慮了系統(tǒng)級(jí)并行、結(jié)構(gòu)級(jí)并行以及底層并行的多層級(jí)并行結(jié)構(gòu);提出了基于FPGA的適于實(shí)時(shí)仿真的電氣和控制系統(tǒng)多速率接口方法。算例測(cè)試表明,該仿真框架表現(xiàn)出強(qiáng)大的并行性以及計(jì)算能力,能夠滿足小步長(zhǎng)下的有源配電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真;(2)基于有源配電網(wǎng)的建模需求,提出了無(wú)源元件、線路、電源、斷路器、測(cè)量元件等常規(guī)配電網(wǎng)元件的元件模塊設(shè)計(jì)方法,研究了分布式發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分——電力電子變流器的實(shí)時(shí)仿真模型及其FPGA模塊設(shè)計(jì)方法;提出了典型分布式電源以及控制器元件的FPGA模塊設(shè)計(jì)方法;所有的元件模塊設(shè)計(jì)均充分考慮了FPGA的高度并行性。算例表明,建模方法為高速仿真計(jì)算奠定了基礎(chǔ),并可達(dá)到各種商業(yè)軟件的計(jì)算精度;(3)提出了基于FPGA的實(shí)時(shí)仿真器的詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)方法,包括仿真全局控制、電氣系統(tǒng)求解、控制系統(tǒng)求解、電氣和控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互以及仿真結(jié)果輸出5部分模塊的設(shè)計(jì)方法,并具體闡述了這5部分功能模塊的相互連接關(guān)系,各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)方式都充分發(fā)揮了FPGA的硬件并行性。設(shè)計(jì)了仿真器與外部物理設(shè)備的仿真接口,通過(guò)仿真測(cè)試驗(yàn)證了該仿真接口的有效性;(4)基于本文開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了典型配電網(wǎng)絡(luò)、光伏發(fā)電系統(tǒng)、光蓄發(fā)電系統(tǒng)以及含光伏發(fā)電系統(tǒng)的有源配電網(wǎng)的實(shí)時(shí)仿真算例測(cè)試,考察了它們?cè)谕獠凯h(huán)境條件改變、系統(tǒng)故障及功率輸出變化等情況下的暫態(tài)過(guò)程,并與商業(yè)電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC和商業(yè)實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)RTDS進(jìn)行了對(duì)比,從仿真速度、仿真精度、仿真規(guī)模等方面驗(yàn)證了本文開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)仿真系統(tǒng)的正確性和有效性。
[Abstract]:Real-time simulation system is an important platform and means for distribution network technology innovation, concept verification, algorithm testing, equipment research and development. The real-time simulation of active distribution network needs powerful computing ability to meet the real-time performance of digital simulation. In this paper, a new programmable logic device, FPGA, is used as the underlying hardware. The real time simulation modeling and system design method of active distribution system are studied, and the real time simulation system of active distribution network based on FPGA is developed. An overall framework of real-time simulation system for active distribution network based on FPGA is proposed, including: considering system-level parallelism, The multilevel parallel simulation framework of electrical system based on module level parallel and bottom level parallel, and the module level parallel design method based on node analysis are proposed, and the simulation framework of control system based on sequential solution is developed. In this framework, system-level parallelism, structure-level parallelism and low-level parallel multilevel parallel structures are considered, and an electrical and control system multi-rate interface method based on FPGA is proposed. The simulation framework shows strong parallelism and computing ability, which can meet the needs of real-time simulation of active distribution network under small step size. Based on the modeling requirements of active distribution network, the passive components, lines, power supply, circuit breakers, and circuit breakers are proposed. The component module design method of conventional distribution network components such as measuring elements is studied. The real-time simulation model and FPGA module design method of power electronic converter, an important component of distributed generation system, are studied. The FPGA module design method of typical distributed power supply and controller components is proposed, and the high parallelism of FPGA is fully considered in all component module designs. The example shows that the modeling method lays a foundation for high-speed simulation calculation. The detailed hardware design method of real-time simulator based on FPGA is put forward, including global control of simulation, solution of electric system, solution of control system. The design method of five modules of electrical and control system data interaction and simulation result output is given, and the connection relationship of these five functional modules is expounded in detail. The hardware parallelism of FPGA is brought into full play in the design of each module. The simulation interface between simulator and external physical equipment is designed, and the validity of the simulation interface is verified by simulation tests) based on the real-time simulation system developed in this paper. A real time simulation example of typical distribution network, photovoltaic power generation system, optical storage power generation system and active distribution network with photovoltaic power generation system is implemented. Compared with commercial electromagnetic transient simulation software PSCAD/EMTDC and commercial real-time simulation system RTDS, the transient process of system fault and power output are compared. The validity and validity of the real-time simulation system developed in this paper are verified by the scale of simulation.
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號(hào)】：TM743

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本文編號(hào)：1609728