多FPGA电力电子实时仿真平台

成果名称

多FPGA电力电子实时仿真平台

成果联系人

朱建鑫

职称

讲师

所在单位

自动化学院、人工智能学院

联系电话

Email

zhujianxin@njupt.edu.cn

技术成熟度

原理样机

技术分类

信息应用

核心专利号

无

所属学科方向

一级学科

电气工程

二级学科

电力电子与电力传动

应用行业

大功率电力电子装置测试

项目概况：

在进行电力电子产品的开发和设计时，往往需事先对其进行充分的仿真验证。目前存在两种仿真验证方法，一种是软件仿真，一种是实时仿真。软件仿真在应对大型电力电子装置仿真时，仿真时间长、准确度低的缺陷逐渐显露了出来。而实时仿真可以加速复杂电力电子装置的开发，缩短装置的开发周期，同时，一些难以实际模拟的故障，也可以采用实时仿真系统安全、方便地模拟出并用于考察控制系统对故障的反应。因此，大功率复杂电力电子装置通常需要实时仿真系统来加速装置开发和系统功能验证。然而，商业化电力电子实时仿真系统均由国外公司垄断，价格昂贵，系统升级维护费用高，开放性差，仿真容量和接口数量也受限。因此，针对电力电子领域对实时仿真系统的需求，研究出一套实时性好、仿真精度高、容量大、价格低廉、通用性好的实时仿真平台具有十分重要的意义。

关键技术：

为了打破国外公司垄断，解决国产电力电子实时仿真平台缺失的问题，朱建鑫博士及其团队综合现有实时仿真系统的优点，提出了一种基于多FPGA的电力电子实时仿真系统架构。将实时仿真系统的各功能模块独立开来，形成不同功能板卡，方便了系统的扩容；采用全硬件FPGA架构，以多片FPGA作为并行核心运算单元，有效增加了系统仿真容量，缩短了仿真步长，保障了系统的仿真精度。

团队首先分析了电力电子实时仿真对计算资源的要求，其次对多FPGA的级联拓扑进行了对比选取，定义了各板卡间的通信结构并对各功能板卡间数据实时传输需求进行了分析。依据分析，设计了一种满足通信需求的增强型SPI通信方式，实现了接口板卡与FPGA核心计算板卡间的数据通信，并采用LVDS高速通信实现扩容FPGA核心计算板卡间的数据交换。

基于以上分析，团队自主开发研制了基于多FPGA的电力电子实时仿真平台，并搭建了10kV 12级联H桥STATCOM电路模型，载入FPGA核心计算板卡中进行验证，通过将外部控制器与实时仿真平台相连接，实现了10kV STATCOM的硬件在回路闭环仿真控制。实验结果表明：仿真步长1us时，实时仿真与Matlab仿真误差0.5%以内。系统可以长时间稳定的对理想状况和非理想状况工作的电力电子装置进行实时仿真，通过实时仿真验证的控制器可以直接应用于实际平台。

应用领域和市场前景：

与现有电力电子实时仿真产品相比，该仿真平台成本更低，仿真精度较高，可为大功率电力电子装置提供高效、便捷、可靠的测试手段和技术支持，加速电力电子装置的开发和推广。

合作方式（技术转让，技术开发，技术服务，技术咨询，技术入股）：

*技术开发

*技术咨询

图片：（1-5张，文件大小不低于1MB，图片清晰，并标注图片说明）

图1 电力电子实时仿真系统结构图

图2 实时仿真系统实物图