← 返回
系统并网技术
★ 5.0
基于开关周期同步的适用于高开关频率功率变换器的实时仿真方法
Switching-Period-Synchronization-Based Real-Time Simulation Method Suitable for Power Converters With High Switching Frequency
| 作者 | Jin Xu · Pan Wu · Zirun Li · Keyou Wang · Guojie Li · Bei Han |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年3月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 电力电子变换器 实时仿真 开关周期同步 现场可编程门阵列 硬件在环仿真 |
语言:
中文摘要
在某些情况下,电力电子变换器的开关频率可高达数百千赫兹。为了准确定位开关事件,实时仿真的时间步长通常建议约为开关周期的 1%。这在单位时间内带来了巨大的计算负担。为打破这一限制,本文提出了一种基于开关周期同步(SPS)思想的实时仿真方法。仿真时间以开关周期为间隔与实际时间同步,而非以时间步长为间隔。开关周期既被用作同步间隔,也被用作主时间步长,该主时间步长还会进一步划分为多个可变子时间步长,这些子时间步长由开关周期内的开关事件决定。为了在基于现场可编程门阵列的平台上实现所提出的实时仿真,本文提出了一种离散状态空间形式的电磁暂态模型,用于以可变子时间步长对电路进行仿真。车载充电器的硬件在环仿真表明,所提出的方法能够实现开关频率为 200 kHz 的实时仿真。该方法的准确性、效率和适用性得到了进一步验证。
English Abstract
The switching frequency of power electronic converters can be as high as hundreds of kilohertz in some cases. The time-step of the real-time simulation is generally suggested to be about one percent of the switching period to accurately locate the switch event. That brings great computation burden in unit time. To break this limitation, this article proposes a real-time simulation method based on the idea of switching period synchronization (SPS). The simulation time is synchronized with the reality time at an interval of the switching period, instead of the time-step. The switching period is adopted as the synchronization interval and also as the main time-step, which is further divided into several variable sub-time-steps determined by switch events within the switching period. To implement the proposed real-time simulation on the field-programmable gate array-based platform, an electromagnetic transient model in discrete-state-space form is proposed to simulate the circuit with the variable subtime-steps. The hardware-in-the-loop simulation of an on-board charger shows that the proposed method can realize the real-time simulation with a switching frequency of 200 kHz. The accuracy, efficiency, and applicability of the proposed method have been further validated.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项基于开关周期同步的实时仿真技术具有重要的战略价值。随着我司光伏逆变器和储能变流器向高功率密度、高效率方向发展,碳化硅等宽禁带器件的应用使开关频率普遍提升至数十甚至数百千赫兹。传统实时仿真要求时间步长为开关周期的1%,这在高频场景下带来巨大的计算负担,严重制约了产品开发周期和测试效率。
该论文提出的SPS方法将仿真同步间隔从微秒级时间步长扩展到整个开关周期,通过可变子步长精确捕捉开关事件,在FPGA平台上实现了200kHz开关频率的实时仿真。这对我司具有三方面直接价值:首先,可显著提升车载充电机、高频光伏优化器等高开关频率产品的硬件在环测试能力,缩短研发验证周期;其次,能够支持储能变流器多电平拓扑的复杂控制算法验证,降低物理样机测试成本;第三,为数字孪生技术在智慧能源管理系统中的应用奠定仿真基础。
技术成熟度方面,该方法已通过车载充电机的HIL验证,但在多机并联、复杂电网交互等我司典型应用场景下的适用性仍需评估。主要挑战在于离散状态空间模型对大规模光储系统的建模复杂度,以及FPGA资源在多变流器协同仿真时的扩展性。建议我司技术中心与相关研究团队建立合作,针对MW级储能系统和组串式逆变器集群进行适配性开发,将该技术整合到我司的数字化研发平台中,提升产品迭代速度和市场竞争力。