CN104715103A - 基于fpga的光伏电池实时仿真模型设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，包括：1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，将模型划分为电气系统和控制系统两部分；2)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；3)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；4)电气系统计算出光伏电池输出电压V和电流I，并传入控制系统的光伏电池模型中，随后光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d以受控电流源的形式参与电气系统的计算；5)判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤3)。本发明在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算，为基于较小的仿真步长的光伏发电系统的实时仿真奠定了基础。

Description

基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法

技术领域

本发明涉及一种光伏电池模型设计。特别是涉及一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法。

背景技术

太阳能光伏发电又称为光伏电池，光伏电池具有结构简单、体积小、清洁无噪声、可靠性高、寿命长等优点，近年来发展十分迅速。按照采用的材料不同，光伏电池可分为硅型光伏电池、化合物光伏电池、有机半导体光伏电池等多种。目前，硅型光伏电池应用最为广泛，这种电池又可分为单晶硅、多晶硅和非晶硅薄膜光伏电池等。其中，单晶和多晶硅光伏电池光电转换效率较高；非晶硅薄膜光伏电池虽然光电转换效率相对较低，但由于具备其他一些优点近年来应用得也日益广泛。从光伏电池的技术发展现状看，硅型光伏电池在今后相当长的一段时间内将是太阳能光伏电池的主流。

由于光伏电池单体输出电压和输出电流都很低，功率也较小，为此需将光伏电池串、并联构成光伏模块，其输出电压可提高到十几至几十伏；光伏模块又可经串、并联后得到光伏阵列，进而获得更高的输出电压和更大的输出功率。光伏发电系统的实际电源一般就是指光伏阵列，它是一种直流电源。在实时仿真中，针对光伏电池的详细建模往往涉及较多的非线性函数，其运算较为复杂，影响着光伏发电单元的计算效率以及数字仿真的实时性。而基于现场可编程逻辑门阵列(field-programmable gate array，FPGA)的全硬件计算为光伏电池建模和实时仿真提供了一种新思路。

FPGA本质上具有完全可配置的固有硬件并行结构，其逻辑资源可配置为很多并行处理单元并实现多层级高度并行计算；同时，FPGA芯片上具有大量嵌入式块RAM，可配置为大量分布式ROM或RAM，其数据和地址宽度、端口数量皆可配置，而传统实时仿真器中内存和总线大多是共享的，且端口有限，限制了数据的传输效率；FPGA允许使用流水线技术，加强了数据处理效率，并且，FPGA还拥有大量传输速度极快的内部连线，不会引入过大的通讯延迟。

因此基于FPGA的实时仿真系统允许更快的计算速度和更小的计算步长，可以为实时仿真中对于步长有要求严格的部分提供速度和精度支持，体积小巧，在开发周期与成本上也更具优势；而且考虑到传统实时仿真器的模型与算法等内容基本上不对用户开放，进一步研究开发准确、高效的仿真算法不大可能。相比之下，基于FPGA的实时仿真器具有可开发性、可拓展性，能够为控制、保护策略的研究，新设备调试等提供测试平台。

在基于FPGA的实时仿真中，需要充分发挥FPGA的计算能力才能满足光伏电池实时仿真的计算能力需求。为此，本发明提出了一种光伏电池的实时仿真FPGA模型设计方法，该设计方法能够充分发挥FPGA硬件并行性以及流水线架构的技术优势，在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算，为基于较小的仿真步长的光伏发电系统的实时仿真奠定了基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，包括如下步骤：

1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，光伏电池模型计算公式为其中，I_ph为光生电流源电流，I_s是二极管饱和电流，q为电子电量，k是玻尔兹曼常数，T为光伏电池工作的绝对温度值，n是二极管特性拟合系数，R_s和R_sh分别为表示光伏电池损耗的电阻，I是光伏电池输出电流，V是光伏电池输出电压，对于光伏电池的建模应将模型划分为电气系统和控制系统两部分，其中电气系统包括模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的受控电流源以及模拟光伏电池内部损耗的电阻R_s和R_sh，控制系统实现光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的具体计算；

2)由于模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的受控电流源处于并联关系，计算相互独立，因此将模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d设置为第一系统和第二系统，在FPGA中开辟独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算；

3)针对作为第一系统的光生电流源电流I_ph进行计算，I_ph的计算公式为：

其中，I_ph,ref为标准条件下的光生电流值，S为实际光照强度，S_ref为标准条件下的光照强度，C_T为温度系数，T_ref为标准条件下电池工作的绝对温度，基于FPGA针对I_ph进行计算是采用3个浮点数乘法器和2个浮点数加法器；

4)针对作为第二系统的二极管电流I_d的计算公式为：其中，I_s和可进一步分配独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算，二极管饱和电流I_s的计算公式为： $\left\{\begin{array}{c}{I}_s={\mathrm{AT}}^3{e}^{\left[\frac{{-E}_g}{\mathrm{nkT}}\right]}\\ E_g=1.16-0.000702\frac{T^2}{T-1108}\end{array}\right.,$ 其中，E_g为禁带宽度，A为温度系数；基于FPGA针对I_n进行计算是采用4个浮点数乘法器、2个浮点数加法器以及1个浮点数指数函数计算单元；

5)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；

6)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；

7)由电气系统计算出光伏电池输出电压V和电流I，并传入控制系统的光伏电池模型中，光生电流源电流I_ph、二极管饱和电流I_s以及I_n进行并行计算，再通过二极管饱和电流I_s和I_n计算二极管电流I_d，随后光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d以受控电流源的形式参与电气系统的计算；

8)判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤6)。

步骤4)中，基于FPGA针对I_s进行计算，考虑到I_s是以温度T为变量的单值函数，为节省计算资源，在FPGA中使用查表法以及插值法对I_s进行计算。

所述的基于FPGA针对I_s进行计算的过程是：以温度T为地址生成I_s值查找表，并存入FPGA的内存RAM_Is中，插值公式为I_s(T)＝[I_s(T₂)-I_s(T₁)](T-T₁)+I_s(T₁)，其中，T₁和T₂表示与温度T最接近的前后两个整数，I_s(T₁)和I_s(T₂)分别表示T₁和T₂温度下的二极管饱和电流，由于T为浮点数，无法作为地址使用，首先将浮点数T转化为整数，并求得T前后范围T_1i和T_2i，进而以T₁和T₂为地址从内存RAM_Is中同时读取I_s(T₁)和I_s(T₂)，其中T_1i和T_2i分别表示温度T前、后范围的整数形式；将T_1i再次转化为浮点数T_1f，对T和T_1f进行浮点数减法，并完成剩余的插值步骤。

本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，能够充分发挥FPGA硬件并行性的技术优势，在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算，为基于较小的仿真步长的光伏发电系统的实时仿真奠定了基础。

附图说明

附图1是单二极管等效电路求解示意图；

附图2是基于FPGA的光伏电池求解模块；

附图3是基于FPGA的二极管饱和电流I_s求解模块；

附图4是本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法流程图；

附图5是单极光伏发电单元；

附图6是直流电压仿真结果；

附图7是光伏阵列输出电流仿真结果；

附图8是光伏发电系统输出无功功率；

附图9是光伏发电系统输出有功功率仿真结果；

附图10是光伏发电系统输出A相电流仿真结果。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法做出详细说明。

本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，属于电力系统仿真领域，特别适用于光伏发电系统以及含光伏发电系统的有源配电网系统暂态实时仿真。

本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，如图4所示，包括如下步骤：

1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，光伏电池模型计算公式为其中，I_ph为光生电流源电流，I_s是二极管饱和电流，q为电子电量(1.602e-19C)，k是玻尔兹曼常数(1.381e-23J/K)，T为光伏电池工作的绝对温度值，n是二极管特性拟合系数，R_s和R_sh分别为表示光伏电池损耗的电阻，I是光伏电池输出电流，V是光伏电池输出电压，对于光伏电池的建模应将模型划分为电气系统和控制系统两部分，其中电气系统包括模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的受控电流源以及模拟光伏电池内部损耗的电阻R_s和R_sh，控制系统实现光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的具体计算，如图1所示；

2)由于模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的受控电流源处于并联关系，计算相互独立，因此将模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d设置为第一系统和第二系统，在FPGA中开辟独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算；

3)针对作为第一系统的光生电流源电流I_ph进行计算，I_ph的计算公式为：

其中，I_ph,ref为标准条件下的光生电流值，S为实际光照强度，S_ref为标准条件下的光照强度(S_ref＝1000W/m²)，C_T为温度系数(A/K)，T_ref为标准条件下电池工作的绝对温度(T_ref＝298.15K)，基于FPGA针对I_ph进行计算是采用3个浮点数乘法器和2个浮点数加法器；

4)针对作为第二系统的二极管电流I_d的计算公式为：其中，I_s和可进一步分配独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算，二极管饱和电流I_s的计算公式为： $\left\{\begin{array}{c}{I}_s={\mathrm{AT}}^3{e}^{\left[\frac{{-E}_g}{\mathrm{nkT}}\right]}\\ E_g=1.16-0.000702\frac{T^2}{T-1108}\end{array}\right.,$ 其中，E_g为禁带宽度(eV)，A为温度系数；基于FPGA针对I_n进行计算是采用4个浮点数乘法器、2个浮点数加法器以及1个浮点数指数函数计算单元，其中，基于FPGA针对I_s进行计算，考虑到I_s是以温度T为变量的单值函数，为节省计算资源，在FPGA中使用查表法以及插值法对I_s进行计算如图3所示；

所述的基于FPGA针对I_s进行计算的过程是：以温度T为地址生成I_s值查找表，并存入FPGA的内存RAM_Is中，插值公式为I_s(T)＝[I_s(T₂)-I_s(T₁)](T-T₁)+I_s(T₁)，其中，T₁和T₂表示与温度T最接近的前后两个整数，I_s(T₁)和I_s(T₂)分别表示T₁和T₂温度下的二极管饱和电流，由于T为浮点数，无法作为地址使用，首先将浮点数T转化为整数，并求得T前后范围T_1i和T_2i，进而以T₁和T₂为地址从内存RAM_Is中同时读取I_s(T₁)和I_s(T₂)，其中T_1i和T_2i分别表示温度T前、后范围的整数形式，图3中的Float2Integer表示从浮点数到整数的计算；将T_1i再次转化为浮点数T_1f，对T和T_1f进行浮点数减法，并完成剩余的插值步骤，图3中的Integer2Float表示从整数到浮点数的计算。

5)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；

6)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；

7)由电气系统计算出光伏电池输出电压V和电流I，并传入控制系统的光伏电池模型中，光生电流源电流I_ph、二极管饱和电流I_s以及I_n进行并行计算，如图2所示。再通过二极管饱和电流I_s和I_n计算二极管电流I_d，随后光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d以受控电流源的形式参与电气系统的计算；

8)判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤6)。

下面以单极光伏发电系统为例进行说明，如附图5所示，图中的PV是采用本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法所建立的模型。

该算例的执行环境为Altera公司的IV GX FPGA 530官方开发板。开发板配有Stratix IV系列FPGA EP4SGX530KH40C2N，该芯片包含531200个逻辑单元，212480个自适应逻辑模块，1280个M9K存储器，64个M144K存储器，1024个18x18专用乘法器，8个PLL以及744个I/O。除了EP4SGX530KH40C2N芯片，开发板还提供了多个频率的时钟电路，3个用户可配置按钮，大量外部存储器，PCI Express插槽，10/100/1000Ethernet接口等外围电路。

该算例可划分为电气系统和控制系统两部分，电气系统中包含5个电源类元件、14个RLC元件、6个IGBT、6个二极管、8个测量元件以及1个断路器元件，其中5个电源元件包括2个受控电流源和1个三相电压源。电气系统计算矩阵维数为22维，其每一时步的计算固定消耗115个时钟周期，而控制系统每一时步固定消耗222个时钟周期，另外电气系统与控制系统进行数据交互还需要16个时钟周期的时间，因此使用135MHz的时钟驱动电路并计时，电气系统和控制系统每一步的总计算时间应分别为0.971μs以及1.763μs，该计算时间与驱动时钟频率大小相关。兼顾电气系统仿真的实时性以及精确性，仿真步长设置为1μs。考虑到控制系统的解算时间超过1μs，无法与电气系统选用相同的实时仿真步长，此时将控制系统步长设置为电气系统步长的整数倍，同时考虑到控制系统解算的实时性，因此将其设置为2μs。

相同算例在PSCAD/EMTDC中进行搭建与仿真。考虑到基于FPGA的实时仿真中，电气系统和控制系统的仿真步长分别为1μs和2μs，而PSCAD/EMTDC的电气系统和控制系统的步长无法分开设定，因此这里将PSCAD/EMTDC的仿真步长分别设定为1μs和2μs，其仿真1s的平均计算用时分别为85s和156s左右，同样显示了基于FPGA的光伏电池仿真的计算能力。

该算例消耗了FPGA约36％的逻辑资源、38％的18x18专用乘法器、32％的存储器资源以及1个PLL。根据资源使用量进行分析，考虑到资源的复用，本文所使用的FPGA芯片最多能实现3个光伏发电系统的暂态实时仿真，具体情况以集成编译环境布局布线后的实际情况为准。

为了验证实时仿真器的仿真精度，仿真场景考虑了单相接地故障以及光伏发电系统输出波动的情况。其中，在故障场景下，与PSCAD/EMTDC进行了仿真比较，并进行了多步长下的结果分析；在输出波动场景下，本节与商业仿真系统RTDS进行了比较与结果分析。

(1)故障分析

实时仿真的一项重要应用即对故障的详细动态仿真，以便对接入系统的实际保护装置或智能终端进行测试。本节使用断路器模拟故障，并设置为0.6秒发生C相接地短路故障，0.8秒故障切除。图6～图8给出了本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法与商业软件PSCAD/EMTDC的离线仿真结果的比较。仿真时长为1s，PSCAD/EMTDC仿真步长为1μs。从图6～图8中可以看出，两个仿真系统给出的结果基本一致，从而验证了本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法的正确性以及可行性。

(2)光伏输出波动

光伏电池的输出常随外界环境变化而波动并对配电网产生影响，在该场景中，设定系统稳态时发生光照变化。为了说明本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法的优势，将本发明的仿真结果与商业实时仿真器RTDS进行了对比。在RTDS中，光伏发电系统的电气系统部分全部采用小步长模型进行搭建，仿真步长约为1.8μs。这一方面是为了达到模型一致的效果，另一方面从仿真角度讲，如果用接口变压器对具有强耦合性的电气系统进行解耦和多速率仿真，有可能造成仿真失稳。光伏电池以及二次控制系统在控制系统中进行搭建，其仿真步长50μs。

附图9为光伏发电系统输出有功，附图10为滤波器出口A相电流，PSCAD/EMTDC、RTDS以及采用本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法设计的光伏电池模型仿真结果已在图中标注。考虑到RTDS的仿真结果无法从t＝0开始读取，因此为了和RTDS进行比较，此处的时间轴并非真实的仿真时间，而是一个动态的时间窗口。从图9～图10中可以看出，三个仿真系统给出的结果基本一致。从图9可以看出，当光照增加后，光伏的输出功率由10kW增加至20kW。从仿真精度层面看，采用本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法设计的光伏电池模型仿真结果与PSCAD/EMTDC结果基本一致，而RTDS在输出有功功率上相对略小，这是由于在相同的电力电子模型下，本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法设计的光伏电池模型的仿真步长更小，几乎为RTDS的一半，因此其开关损耗更小。

以上算例测试结果证明，本发明的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法能够在保证仿真精度的同时，实现了光伏电池模型的高速仿真计算，为基于较小的仿真步长的光伏发电系统的实时仿真奠定了基础。

Claims (3)

1.一种基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)针对光伏电池模型在FPGA中进行建模，光伏电池模型计算公式为其中，I_ph为光生电流源电流，I_s是二极管饱和电流，q为电子电量，k是玻尔兹曼常数，T为光伏电池工作的绝对温度值，n是二极管特性拟合系数，R_s和R_sh分别为表示光伏电池损耗的电阻，I是光伏电池输出电流，V是光伏电池输出电压，对于光伏电池的建模应将模型划分为电气系统和控制系统两部分，其中电气系统包括模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的受控电流源以及模拟光伏电池内部损耗的电阻R_s和R_sh，控制系统实现光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的具体计算；

2)由于模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d的受控电流源处于并联关系，计算相互独立，因此将模拟光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d设置为第一系统和第二系统，在FPGA中开辟独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算；

3)针对作为第一系统的光生电流源电流I_ph进行计算，I_ph的计算公式为：

其中，I_ph,ref为标准条件下的光生电流值，S为实际光照强度，S_ref为标准条件下的光照强度，C_T为温度系数，T_ref为标准条件下电池工作的绝对温度，基于FPGA针对I_ph进行计算是采用3个浮点数乘法器和2个浮点数加法器；

4)针对作为第二系统的二极管电流I_d的计算公式为：其中，I_s和可进一步分配独立的FPGA计算资源在控制系统中进行并行计算，二极管饱和电流I_s的计算公式为： $\left\{\begin{array}{c}{I}_s={\mathrm{AT}}^3{e}^{\left[\frac{-E_g}{\mathrm{nkT}}\right]}\\ E_g=1.16-0.000702\frac{T^2}{T-1108}\end{array}\right.,$ 其中，E_g为禁带宽度，A为温度系数；基于FPGA针对I_n进行计算是采用4个浮点数乘法器、2个浮点数加法器以及1个浮点数指数函数计算单元；

5)设置仿真时刻t＝0，启动仿真；

6)仿真时间向前推进一个步长，t＝t+Δt；

7)由电气系统计算出光伏电池输出电压V和电流I，并传入控制系统的光伏电池模型中，光生电流源电流I_ph、二极管饱和电流I_s以及I_n进行并行计算，再通过二极管饱和电流I_s和I_n计算二极管电流I_d，随后光生电流源电流I_ph和二极管电流I_d以受控电流源的形式参与电气系统的计算；

8)判断仿真时间是否达到仿真终了时刻，如达到仿真终了时刻，则仿真结束，否则返回步骤6)。

2.根据权利要求1所述的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，其特征在于，步骤4)中，基于FPGA针对I_s进行计算，考虑到I_s是以温度T为变量的单值函数，为节省计算资源，在FPGA中使用查表法以及插值法对I_s进行计算。

3.根据权利要求1或2所述的基于FPGA的光伏电池实时仿真模型设计方法，其特征在于，所述的基于FPGA针对I_s进行计算的过程是：以温度T为地址生成I_s值查找表，并存入FPGA的内存RAM_Is中，插值公式为I_s(T)＝[I_s(T₂)-I_s(T₁)](T-T₁)+I_s(T₁)，其中，T₁和T₂表示与温度T最接近的前后两个整数，I_s(T₁)和I_s(T₂)分别表示T₁和T₂温度下的二极管饱和电流，由于T为浮点数，无法作为地址使用，首先将浮点数T转化为整数，并求得T前后范围T_1i和T_2i，进而以T₁和T₂为地址从内存RAM_Is中同时读取I_s(T₁)和I_s(T₂)，其中T_1i和T_2i分别表示温度T前、后范围的整数形式；将T_1i再次转化为浮点数T_1f，对T和T_1f进行浮点数减法，并完成剩余的插值步骤。