点击数: 更新日期: 2022-12-13
中文题目：非隔离双向半桥变换器实时仿真模型设计与实现
论文题目：Design and implementation of real-time simulation module for non-isolated bidirectional half-bridge DC–DC converter
录用期刊：Energy Reports (JCR Q2)
原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.egyr.2022.11.148
原文链接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S2352484722025367
录用时间：2022.11.25
封面摘要：随着新能源并网系统的数量和开关控制频率也在增加，使得电网的运行状态更加复杂。因此，迫切需要一个小步长实时模型来监测电网的运行。FPGA具有高并发和多流水线计算的特点，保证了仿真器的实时性能。由于非隔离双向半桥DC-DC变换器在电网系统中应用的较为广泛，本文基于FPGA对其进行实时仿真设计。
作者列表：
1） 朱明达 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 电子系教师
2） 刘晓欣 中国石油大学（北京）信息科学与工程学院 信息与通信工程专业 硕19
3） 潘雄 北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院 光电技术研究所教师
摘要:
随着新能源并网系统的数量和开关控制频率也在增加，使得电网的运行状态更加复杂。因此，迫切需要一个小步长实时模型来监测电网的运行。FPGA具有高并发和多流水线计算的特点，保证了仿真器的实时性能。由于非隔离双向半桥DC-DC变换器在电网系统中应用的较为广泛，本文基于FPGA对其进行实时仿真设计。
背景与动机:
作为一种清洁和可再生能源，太阳能已引起广泛关注。由于我国复杂的地理环境和分散的光伏发电站，电力设备之间的不同影响条件使得电网的抗干扰能力减弱。因此，有必要设计一个高精度的实时仿真模型来监测系统的运行状态。实时仿真模型可以被纳入电网系统，完成系统的健康检测功能，也可独立于电网系统来验证控制策略。
设计与实现:
1、非隔离双向半桥变换器数学模型
通过使用后向欧拉法和ADC等效法对变换器进行建模可得图1所示的等效拓扑结构。
图1非隔离双向半桥变换器等效拓扑结构
根据基尔霍夫方程即可得如下所示的数学模型：
本文根据变换器工作特性，推导了最优电导计算公式，如下所示：
同时提出了一种瞬态初始化方法，以进一步减少虚拟损耗效应，如图2所示。
图2瞬态初始化方法
2、非隔离双向半桥变换器实时仿真算法实现与优化
本文将利用高级层次综合的方法完成算法实现，优化方向包含三种：
2.1 定点数：与浮点运算相比，定点运算不包括对阶和结果规格化的过程。因此，定点类型的计算速度比浮点类型的更快。
2.2 计算路径：根据算法特特点可进行内敛、流水线以及乘和项优化。
2.3 算法结构：算法可压缩为矩阵求解，如下所示：
实验结果及分析:
实时仿真模型的数值验证
在Simulink中建立了基于改进ADC方法的仿真模型，并在开闭环控制下进行验证。
开环控制下，模型精度表现：
闭环控制下，模型精度表现：
实时仿真算法的优化验证
本文选用vivado 2019.1平台实现算法验证，FPGA芯片为x7c35t，不同优化方向的效果如下：
定点数优化资源消耗：
内联优化效果：
流水优化效果：
结构优化效果：
实时仿真模型的性能验证
本文搭建的硬件验证平台如图3所示。
图 3 硬件验证平台
开闭环控制下，非隔离双向半桥变换器实时仿真模型的精度可达3%左右，仿真步长可达1微秒。
结论:
本文在现有实时仿真模型理论的基础上，提出了一种改进的ADC建模方法，并简化了最优电导的选择流程，且提出一种瞬态初始化方法有效地减少了虚拟损耗。同时采用HLS开发方法在FPGA中完成实时仿真模型的部署，实现了不同方向的优化设计。最终非隔离双向半桥变换器实时仿真的数值模型相对误差约为2%。在FPGA上所达到的精度约为3%。
作者简介:
朱明达，博士，副教授，博士生导师。主要研究方向是电子测量技术与仪器、信号检测与处理、智能信息处理、石油探测技术与仪器，发表论文20余篇。