一种低资源消耗的电力电子变换器实时仿真方法

Real-Time Simulation Method for Power Electronic Converters With Low Resource Consumption

查看原文 · IEEE Xplore DOI: 10.1109/TPEL.2025.10734188

作者	Zonghui Sun · Guangsen Wang · Zhuolan Li · Xizheng Guo · Yu Zhang
期刊	IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期	2024年10月
技术分类	可靠性与测试
相关度评分	★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词	实时仿真方法桥基电力电子变换器 FPGA 等效系统状态方程仿真有效性

语言:

中文摘要

本文提出了一种基于导通电阻（$R_{on}$）/关断电阻（$R_{off}$）模型的基于桥路的电力电子变换器实时仿真方法。通过构建等效系统状态方程，在现场可编程门阵列（FPGA）实现中，所有乘法运算都可以通过移位加法运算来完成，从而避免使用数量有限的乘法器。然后，在FPGA上以20 ns的仿真时间步长对一个50 kHz的双有源桥变换器和一个100 kHz的交 - 直 - 交变换器进行了仿真。精度、时序和资源消耗结果验证了该方法的有效性。

English Abstract

This letter presents a real-time simulation method for bridge-based power electronic converters based on the Ron/Roff model. By constructing the equivalent system state equation, all multiplications can be performed by shift addition operations in field programmable gate array (FPGA) implementation and avoids using limited multipliers. Then, a 50-kHz dual active bridge converter and a 100-kHz ac-dc–ac converter are simulated on FPGA with 20 ns simulation time step. Accuracy, timing, and resource consumption results verify the effectiveness of this method.

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看，这项基于Ron/Roff模型的FPGA实时仿真技术具有重要的战略价值。该技术通过构建等效系统状态方程，将乘法运算转化为移位加法操作，显著降低了FPGA硬件资源消耗，这对我们的产品开发和测试流程具有直接应用价值。

在光伏逆变器和储能变流器开发领域，该技术能够实现20纳秒时间步长的高精度实时仿真，这意味着可以准确捕捉我们产品中IGBT、SiC等功率器件的快速开关特性。论文验证的50kHz双有源桥变换器和100kHz交直交变换器案例，与我们储能系统中的DC-DC变换器和光伏逆变器的拓扑结构高度相关。这为我们开展硬件在环（HIL）测试提供了低成本、高保真的解决方案。

技术价值主要体现在三个方面：首先，低资源消耗特性使单片FPGA可以集成更多变换器模型，支持我们对大型光储电站进行系统级仿真验证；其次，实时仿真能力可加速控制算法的迭代优化，缩短新产品开发周期；第三，相比传统仿真方法节省的硬件成本可降低测试平台的建设投入。

然而，技术应用仍面临挑战：Ron/Roff简化模型能否精确反映我们采用的最新一代宽禁带器件的动态特性需要验证；多电平拓扑和复杂控制策略下的模型扩展性有待评估。建议我们的中央研究院与该技术团队建立合作，针对1500V光伏系统和大容量储能变流器开展定制化验证，将其整合到我们的数字孪生开发体系中，进一步提升产品竞争力。