【摘要】：模塊化多電平換流器(Modular Multi-level Convertor,MMC)具有低諧波、低開關(guān)頻率、高模塊化和良好的可擴展性等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于電力網(wǎng)絡(luò)的中高壓應(yīng)用場合�；诳删幊涕T陣列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的MMC電磁暫態(tài)仿真是現(xiàn)階段電磁暫態(tài)仿真的研究熱點,但相關(guān)研究并不充分。針對目前MMC電磁暫態(tài)實時仿真系統(tǒng)的仿真步長大、計算精度較低、仿真規(guī)模較小的特點,本文提出并實現(xiàn)了一種的基于FPGA的MMC電磁暫態(tài)實時仿真系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了較小的仿真步長、更高計算精度且能仿真較大規(guī)模的MMC電網(wǎng)。本系統(tǒng)為了保證較高的電磁暫態(tài)仿真數(shù)據(jù)精度,數(shù)據(jù)計算均采用IEEE-754單精度浮點標(biāo)準(zhǔn)。然而,系統(tǒng)中浮點數(shù)精度的數(shù)據(jù)多周期混合累加會導(dǎo)致數(shù)據(jù)沖突的問題,使得系統(tǒng)計算需要的時鐘周期大大增加。為了解決該問題,本文提出了一種分組循環(huán)混合累加電路,以實現(xiàn)多數(shù)據(jù)集的混合累加,并且計算速率滿足系統(tǒng)要求。此外,本系統(tǒng)實現(xiàn)的仿真規(guī)模比同類系統(tǒng)更大,這帶來了系統(tǒng)計算延時增加的問題。為了解決此問題,本文采用橋臂模型并行,橋臂內(nèi)部分組并行以及深度流水線技術(shù)提高了數(shù)據(jù)吞吐率,實現(xiàn)了時序優(yōu)化和計算延時的減小。與其他同類系統(tǒng)相比,本系統(tǒng)單板可支持的MMC電路仿真最大橋臂個數(shù)由3個增加到12個,每個橋臂最大支持子模塊個數(shù)由512個增加到640個,平均仿真每個子模塊需要消耗的資源顯著減少。同時與類似的混合累加電路結(jié)構(gòu)相比,本文所設(shè)計的混合累加電路可以將每個橋臂中640個浮點格式數(shù)據(jù)的混合累加速率由333個時鐘周期縮短到183個時鐘周期。系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)果表明,本文所設(shè)計的系統(tǒng)能夠正確進行MMC電路的系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真計算,計算規(guī)�？梢赃_到單板12個橋臂每個橋臂640個子模塊,計算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)對比完全一致。系統(tǒng)能在150MHz的時鐘頻率下正確工作。同時經(jīng)過本文的優(yōu)化設(shè)計,本系統(tǒng)仿真步長由2.5 us可以縮小到2 us,能夠滿足系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真的實時性要求。此外經(jīng)過優(yōu)化后系統(tǒng)的硬件資源消耗可以保持在一個合理范圍,共占用FPGA開發(fā)板70.28%的邏輯運算資源。與現(xiàn)階段類似系統(tǒng)相比,本文設(shè)計MMC電路的電磁暫態(tài)實時仿真系統(tǒng)可以支持更大的仿真計算規(guī)模的同時達到更高的計算速率和計算精度。
【圖文】：

小步長側(cè)采用 2μs 的仿真時步，小步長側(cè)每迭代計算 25 個時步便與大步長側(cè)進行通信和數(shù)據(jù)交互。圖5-5是本文設(shè)計的基于FPGA的模塊化多電平換流器暫態(tài)實時仿真系統(tǒng)的實物圖。作為小步長側(cè)仿真系統(tǒng)的 FPGA 板與作為上位機的服務(wù)器通過光纖通信，實時仿真結(jié)果通過上位機發(fā)送給監(jiān)控用的電腦顯示器上。監(jiān)控電腦發(fā)送開始仿真的指令給上位機，作為仿真啟動的標(biāo)志信號，然后通過上位機對小步長側(cè)進行初始化，待小步長側(cè)初始化完成后會開始與小步長側(cè)一起進行大小步長多速率仿真工作，分別計算各自子網(wǎng)側(cè)的網(wǎng)絡(luò)電壓和電流并每 50 μs 進行一次數(shù)據(jù)通信。同時上位機會不停發(fā)送需要監(jiān)測的信號給監(jiān)控用的電腦，將檢測信號的波形顯示出來。

圖 5- 5 模塊化多電平換流器暫態(tài)實時仿真系統(tǒng)實物圖Fig 5-5 Physical map of transient real-time simulation system for modular multilevel converter驗證采用的 MMC 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖 3-1 所示。直流側(cè)額定電壓為 150kV，橋臂電流額定值為 1.15kA，，橋臂電感為 48mH，子模塊電容值為 120μF，每個橋臂子模塊數(shù)為 640。光纖上位機Virtex-7 XC7VX690TADPSS 軟件交互界面
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP391.9;TM46;TN791

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本文編號：2589648