【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及实时仿真，具体涉及一种基于fpga的高压直挂储能系统的仿真方法和装置。
技术介绍
1、随着对储能技术的日益增长的需求，以及对电网稳定性和灵活性的要求，为了平衡电力网络中的负荷和供应之间的差异，提高电力系统的效率和可靠性，高压直挂储能系统逐渐成为各个储能厂家重点研究对象。目前高压直挂储能系统在6kv、10kv在新能源配储、电网侧、大型工商业都有成熟应用，35kv电压等级的高压直挂储能已有多个示范工程且成为多个厂商的重点研究对象。
2、高压直挂储能系统通常电压等级高、功率容量大、级联子模块多、开关数量多、电池系统占用体积庞大，基于实物平台测试成本高、危险系数高、工程复杂，在物理原型上进行测试与调试较为困难，且往往难展现一些非正常的运行工况，如电网的电压波动、频率偏移等；因此对于高压直挂储能控制器来说，通过能模拟实际系统的各种运行工况的实时仿真装置进行测试非常必要。
3、但对于高压直挂储能系统来说，其实时仿真测试主要有如下挑战；
4、一、高压直挂储能系统通常包含几百个电力电子器件，常规实时仿真装置无法精确模拟，为了保证实时仿真的精确，这要求实时仿真装置具备极小的仿真步长，通常是几微秒级别。
5、二、高压直挂储能系统与控制器之间数据交互信息非常多，不能采用传统的物理io接线形式去实现交互；
6、三、传统仿真装置将高压直挂储能系统的电池模型运行在fpga中，不支持对储能电池特性以及串并联情况的修改。
7、四、应用较广的基于器件级的细节模型真实搭建了高压直
技术实现思路
1、本专利技术的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种基于fpga的高压直挂储能系统的仿真方法，将高压直挂储能系统的功率单元拆分为h桥和储能单元部分，h桥和网侧拓扑放在fpga中进行仿真，储能电池支路部分放在cpu中仿真，fpga与cpu之间通过pcie总线进行子模块电压、电流信息交互。fpga通过建立单个高压直挂储能系统子模块的戴维南模型，利用子模块串联关系进行代数叠加，计算子模块电容电压、子模块端电压以及桥臂电压；等效模型和网侧拓扑以1us仿真步长运行在仿真器的fpga中；储能电池支路运行在仿真器的cpu中，cpu支持用户自定义储能电池模型；充分结合实时多核处理器与fpga各自的优势，从而在fpga上实现以1us仿真步长对任意级数的高压直挂储能系统进行精确的实时仿真。
2、为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于fpga的高压直挂储能系统的仿真方法，包括以下步骤：
3、步骤1：上位机对高压直挂储能系统应用模型级联子模块的模块级联数n、旁路电容值c、电容初始电压vc_initial、放电电阻rp、igbt导通电阻ron、igbt关断电阻roff以及网侧电感l0、网侧电阻r0、网侧电压vabc、仿真步长δt等数信息进行配置；
4、步骤2：将高压级联子模块在直流侧进行模型分割，其中，储能电池和电池前串联电感放在cpu上仿真，子模块直流电容在cpu上等效为可控电压源；子模块的h桥和电容放在fpga上进行小步长仿真，储能电池部分在fpga上等效为一个可控电流源；
5、步骤3：fpga对子模块电容部分进行戴维南等效，将旁路电容c与放电电阻rp等效为电阻rceq与电压源vceq串联的等效电路模型；
6、步骤4：fpga对级联子模块进行戴维南等效，将h桥并联可控电流源ibat的子模块整体等效为电阻rsmeq与电压源vsmeq串联的等效电路模型，并预先计算生成rsmeq、端电压比例系数a和电池电流比例系数b在不同开关管状态下的数值；
7、步骤5：fpga对高压直挂储能每相桥臂进行戴维南等效，将每相桥臂整体等效为电阻req与电压源veq串联的等效电路模型；
8、步骤6：fpga根据子模块当前各开关管导通状态切换子模块当前对应的等效电路参数rsmeq、端电压比例系数a和电池电流比例系数b，并根据上一时刻的电容电压vc(t-δt)和电池电流ibat，计算每个子模块的等效电压vsmeq，然后通过累加得到每相桥臂的等效电压veq；
9、步骤7：fpga根据每个桥臂的等效电阻req和等效电压veq，以及网侧电压，网侧网电感的参数，积分计算得到桥臂电流ism；
10、步骤8：fpga根据桥臂电流ism和储能电池电流ibat，计算每个子模块的电容电流ic与电容电压vc；
11、步骤9：cpu获取fpga上传的子模块电容电压vc，结合cpu上的储能电池电压，计算得到储能电池电流ibat，并将储能电池电流ibat下发至fpga；
12、步骤10：fpga上传子模块电压、电流、桥臂电压、电流的信息，上位机可对高压直挂储能系统运行状态进行实时观测；子模块电压、电流、soc的数据通过光纤传输至储能控制器；cpu中电池信息可选配can通信传递给bms控制系统。
13、作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤1中的配置信息均需在上位机中完成配置，配置后不需要进行额外的fpga编译，即可实现配置信息所述功能；
14、步骤1的具体步骤如下：
15、步骤11：上位机前端通过设备ip连接设备，在上位机配置高压直挂储能系统应用模型级联子模块的模块级联数n、旁路电容值c、电容初始电压vc_initial、放电电阻rp、igbt导通电阻ron、igbt关断电阻roff以及网侧电感l0、网侧电阻r0、网侧电压vabc、仿真步长δt参数信息；
16、步骤12：上位机后端读取前端配置信息，生成配置文件。
17、作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤3的具体步骤如下：
18、步骤31：采用梯形积分法将子模块等效模型离散化，将旁路电容c等效为电容电阻rc串联电压源vc0eq；其中，子模块电压vc表达式如下：
19、
20、其中：
21、ic(t)为电容电流；rc为电容c等效电阻；δt为仿真步长；
22、步骤32：将电容c并联放电电阻rp整体等效为电阻rceq串联电压源vceq的等效模型：
23、
24、作为本专利技术的一种优选技术方案，步骤4的具体步骤如下：
25、步骤41：fpga建立高压直挂储能系统子模块戴维南等效模型，将子模块的4个开关管s1、s2、s3、s4看作在高、低电阻值间切换的可变电阻r1、r2、r3、r4，开通状态时阻值为ron，关断时为roff；导通电阻ron与关断电阻roff为参数配置数据；
26、步骤42：将h桥并联储能单元可控电流源ibat的子模块整体等效为电阻rsmeq串联电压源vsmeq：
27本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤1中的配置信息均需在上位机中完成配置，配置后不需要进行额外的FPGA编译，即可实现配置信息所述功能；
3.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤3的具体步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤4的具体步骤如下：
5.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤5中，将高压直挂储能桥臂中的N个子模块等效电路串联等效为一个桥臂电阻REQ串联电压源VEQ的等效电路，对每个子模块单元的端电压Vsm进行求和得到桥臂端电压VMV：
6.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤6中，FPGA根据当前子模块开关管的导通状态切换选择对应的初始化等效电路参数Rsmeq阻值和端电压比例系数A，电池电
7.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤8中，FPGA根据桥臂电流Ism和储能电池电流Ibat，计算每个子模块的电容电流Ic(t)与电容电压Vc：
8.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤9中，CPU获取FPGA上传的子模块电容电压Vc，结合CPU上的储能电池电压，计算得到储能电池电流Ibat，并将储能电池电流Ibat下发至FPGA；FPGA与CPU之间通过PCIE总线进行高压直挂储能电池支路与级联的H桥部分数据信息闭环交互；
9.根据权利要求1所述的一种基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤10中的子模块电压、电流和SOC的数据需要进行组帧，帧结构中包括帧同步包头、各个数据包信息，每根光纤传输一相所有子模块信息，高压直挂储能系统需要三根光纤通过外部光口与外部控制器进行连接。
10.一种用于执行如权利要求1-9任一所述的基于FPGA的高压直挂储能系统的仿真方法的装置，其特征在于：包括用于配置参数的上位机、FPGA和光纤接口；所述光纤接口配置8路光纤接口，用于发送子模块电压、电流、SOC信息，接收外部控制器传递过来的PWM信号和断路器信号。
...【技术特征摘要】
1.一种基于fpga的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤1中的配置信息均需在上位机中完成配置，配置后不需要进行额外的fpga编译，即可实现配置信息所述功能；
3.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤3的具体步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤4的具体步骤如下：
5.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤5中，将高压直挂储能桥臂中的n个子模块等效电路串联等效为一个桥臂电阻req串联电压源veq的等效电路，对每个子模块单元的端电压vsm进行求和得到桥臂端电压vmv：
6.根据权利要求1所述的一种基于fpga的高压直挂储能系统的仿真方法，其特征在于：步骤6中，fpga根据当前子模块开关管的导通状态切换选择对应的初始化等效电路参数rsmeq阻值和端电压比例系数a，电池电流比例系数b，该各个子模块h桥的4个开关管导通状态组合不同，对应的等效电路参数rsmeq阻值、端电压比例系数a和电池电流比例系数b也...
【专利技术属性】
技术研发人员：汪新星，许冠军，王小山，
申请(专利权)人：上海远宽能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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