基于FPGA-CPU的双馈风电系统异步协同仿真_杨光绕.pdf

第51 卷 第4 期 电力系统保护与控制 Vol.51 No.4 2023年2月16日 Power System Protection and Control Feb.16,2023 DOI:10.19783/ki.pspc.221061 基于 FPGA-CPU 的双馈风电系统异步协同仿真 杨光绕1，郝正航1，陈 卓1，陈湘萍1，张 裕2，何朴想1(1.贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025；2.贵州电网有限责任公司电网规划研究中心，贵州 贵阳 550002)摘要：为实现双馈风电系统的并网及暂态实时仿真，研究了一种基于现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)与 CPU 协同仿真的多速率并行实时仿真方法。使用开关函数法对双馈风电系统中“背靠背”换流器建模并进行资源优化，基于 PWM 均值化原理完成不同步长系统之间的模型分割。利用 FPGA 运行速率高的优点，以 200 ns 的步长实现了“背靠背”换流器的小步长仿真。面向有源配电网实时仿真的需求，实现了 FPGA 与自主研发的实时仿真机(universal real-time experimental platform,UREP)的 200 ns/50s并行协同仿真。通过与 Simulink离线仿真结果对比，同时分析模型优化前后的 FPGA 资源消耗情况，验证了协同仿真的实时性与准确性，可为各类风电系统的并网及暂态研究提供技术参考。关键词：现场可编程门阵列(FPGA)；双馈风电系统；实时仿真；多速率仿真；异步协同 Asynchronous co-simulation of a double-fed wind power system based on FPGA-CPU YANG Guangrao1,HAO Zhenghang1,CHEN Zhuo1,CHEN Xiangping1,ZHANG Yu2,HE Puxiang1(1.College of Electrical Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.Power Grid Planning and Research Center of Guizhou Power Grid Co.,Ltd.,Guiyang 550002,China)Abstract:To realize the grid-connected and transient real-time simulation of doubly-fed wind power systems,a multi-rate parallel real-time simulation method based on a field programmable gate array(FPGA)and CPU co-simulation is studied.The switch function method is used to model and optimize the resources of the back-to-back converters in the doubly-fed wind power system,and the model partitioning between systems with different step lengths is carried out based on the PWM homogenization principle.Using the advantage of the high running rate of the FPGA,a small-step simulation of the back-to-back converter is realized with 200 ns step size.To meet the demands of real-time simulation of an active power distribution network,the 200 ns/50s parallel co-simulation of the FPGA and a self-developed universal real-time experimental platform(UREP)is realized.By comparing with Simulink offline simulation results and analyzing the FPGA resource consumption before and after model optimization,the real-time and accuracy of co-simulation is verified.This can provide a technical reference for the grid connection and transient study of various wind power systems.This work is supported by the National Natural Science Foundation of China(No.51867007).Key words:field programmable gate array(FPGA);double-fed wind power system;real-time simulation;multi-rate simulation;asynchronous collaboration 0 引言 随着新能源发电入网比例及电力电子设备接入比例越来越高，针对含电力电子设备的电力系统实 基金项目：国家自然科学基金项目资助(51867007)；第二批国家级新工科研究与实践项目资助(E-NYDQHGC20202227);贵州省教育厅“新型电力系统及其数字化技术工程研究中心”项目资助(黔教技2022043)时仿真也受到越来越多的关注1。双馈风电系统作为主要的风力发电系统之一，其暂态实时仿真技术已逐渐成为各国学者的研究热点2-3。与传统的离线仿真相比，实时仿真能更加准确地反映出模型的运行机理，更好地体现模型的动态特征，使其更加接近网络运行的实际情况4。因此，很有必要通过高效、准确的实时仿真来深入了解风电系统的并网特性及暂态特征5。目前，RTDS、RT-LAB 和 HYPERSIM 等商业杨光绕，等 基于 FPGA-CPU 的双馈风电系统异步协同仿真 -73-实时仿真器已在电力系统领域得到了广泛应用6-8。这些仿真器均采用多核处理器对模型进行计算，并结合外围设备进行协同仿真。比如，RTDS 可以通过接口与外围设备连接，使之构成数字-物理的硬件闭环回路9。尽管上述几类仿真器具有较强的实时仿真能力，但其仍旧保持着串行传输的特征。相较于这些仿真器，现场可编程门阵列(field programmable gate array,FPGA)具有高度并行性及内存分布性10。此外，FPGA 还具有集成度高、扩展性强等优点，已逐步成为电力系统实时仿真的主要设备之一11。然而，随着实时仿真规模越来越大，单个处理器的仿真也无法满足系统要求，多个处理器并行仿真及多种处理器协同仿真也逐步成为实时仿真平台的发展趋势12。文献13提出了一种多 FPGA 的实时仿真架构，采用多片 FPGA 作为实时仿真的并行运算单元，有效地提高了仿真资源，减小了仿真步长。文献14按粗细粒度将仿真系统切分到多块FPGA上运行，实现了 FPGA 的多层级并行仿真。文献15基于 MPSoC-FPGA 平台实现了智能电网网络-物理系统的快速协同仿真。文献16以直驱风机为例，使用 eHS(electrical Hardware Solver)解算技术实现了 RT-LAB 与 FPGA 的硬件在环仿真。文献17使用局部延迟插入法对系统进行分割，以异步交互方法实现了 FPGA 与 RTDS 的多速率并行仿真。文献18基于 CPU-FPGA 的异构计算平台，实现了 1 s小步长 FPGA 与 100 s 大步长 CPU 之间的异步协同仿真。FPGA 在实时仿真领域的研究有了很大的进展，但对于大规模仿真仍然存在以下问题：1)资源不足，单靠 FPGA 难以实现大规模网络的实时仿真；2)国内缺乏能与 FPGA 联合仿真的实时仿真平台，国外的价格昂贵；3)对于不同处理器的异步长联合仿真，多速率协同算法实现难度较大。针对上述问题，本文将双馈风电系统按大、小步长进行系统级模型分割。使用 PWM 均值化实现FPGA 与 CPU 的异步协同仿真。其中，在 FPGA 上实现“背靠背”换流器的 200 ns 小步长仿真，在CPU 中则以 50 s 大步长运行系统剩余部分。针对“背靠背”换流器，本文使用开关函数法进行建模，基于时序复用原则进行 FPGA 资源优化，通过硬件描述语言(hardware description language,HDL)实现开发。最后，通过与 Simulink 环境下的离线仿真结果进行对比，验证了本文协同仿真的正确性。1 双馈风电系统的基本结构及异步仿真步长设置 如图 1 所示，双馈风电系统主要由风机系统、电网系统、“背靠背”换流器及控制系统 4 部分组成。涡轮机通过齿轮箱带动感应电机的转子转动，转子侧通过“背靠背”换流器后接入电网中，而定子侧则直接入网。图中，参数ref_gu、ref_ru分别表示来自网侧和转子侧控制系统的调制电压，PWM1、PWM2分别为网侧和转子侧换流器的触发脉冲。图 1 双馈风电系统的基本结构 Fig.1 Fundamental structure of DFIG 系统中，换流器的脉冲频率较高，一般在几千赫兹至几万赫兹之间。为了获得更高的仿真精度，需要以较小的步长对此部分进行仿真。然而，如果整个系统都以小步长仿真，则会严重限制系统仿真规模17，增加仿真时间。异步长协同仿真能很好地解决此问题，即以不同的仿真步长对相应的系统进行仿真，实现异步协同。因此，本文设定“背靠背”换流器部分的仿真步长为 200 ns，而除此之外的部分则以 50 s 步长进行仿真。2 FPGA-CPU 仿真架构 FPGA 的流水线架构具有高度的并行性，适合于小步长的实时仿真。CPU 资源丰富，仿真步长较大，适合于风机等大惯性环节的大步长仿真。因此，采用 FPGA-CPU 的仿真架构对整个双馈风电系统进行异步长协同仿真。2.1 仿真系统总体构成 FPGA-CPU 仿真系统级关系如图 2 所示，依据仿真设备的不同，将整个双馈风电系统划分为 3 个子模块。其中，PC 实现“背靠背”换流器硬件描述语言(HDL)的开发及 CPU 模型的初始化，FPGA 以200 ns 小步长实现“背靠背”换流器的仿真，CPU则以 50 s 大步长实现风机、外部电网及控制信号的运行。CPU 和 FPGA 通过以太网实现大、小步长的数据交换，PC 采集 CPU 中的待观测信号并进行实时监测。-74-电力系统保护与控制 图 2 仿真系统级关系图 Fig.2 Simulation system level relationship diagram 2.2 仿真任务分配 基于上述仿真系统的划分，对整个双馈风电系统进行详细的仿真任务分配。如图 3 所示，将仿真系统分为子系统 1、2、3。其中，子系统 1 分为仿真单元 4、5、6，含有大步长模块 a 至 h；子系统 2分为仿真单元 7、8 和 9，含有小步长模块 i 至 m；子系统 3 为 PC 端，实时监测系统仿真数据。CPU异步通信模块d和FPGA以太网通信单元9完成大、小步长之间的数据传输。图 3 双馈风电系统仿真任务分配图 Fig.3 Double-fed wind power system simulation task assignment diagra