2023年7月电工技术学报Vol.38No.14第38卷第14期TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYJul.2023DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220918基于FPGA的电力电子系统电磁暂态实时仿真通用解算器周斌汪光森李卫超王志伟揭贵生（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室武汉430033）摘要电力电子系统较高的开关频率给传统以CPU为计算核心的电磁暂态（EMT）实时仿真带来了挑战。为了实现小步长实时仿真，该文提出并实现一款基于FPGA的EMT实时仿真解算器。该解算器的通用化框架分为离线和在线两部分，离线程序能够自动获取仿真模型的参数并生成计算数据，在线程序能够自动配置计算资源与控制逻辑。为了提高仿真速度，还提出一种低延迟的单周期浮点累加方法，用于构建解算器的基本计算单元。基于XilinxVirtex7xc7vx485t型FPGA芯片的评估与分析结果表明：相比某商业FPGA实时仿真解算器，该文解算器的仿真速度提高了一倍，仿真规模增加了29.69%～79.17%。最后，还通过两种电力电子变换器的实时仿真测试，验证了它的实际性能。所提解算器能够达到400MHz的运行速度、100ns级的仿真步长并保持较高的仿真精度，具有通用性强、自动化程度高、配置灵活等特点。关键词：电力电子系统FPGA实时仿真通用解算器浮点数乘累加中图分类号：TM9210引言电磁暂态（Electro-MagneticTransient,EMT）实时仿真在航空航天、轨道交通和电力系统等领域被广泛应用，贯穿于研发设计到验证测试等各个环节[1-3]。为了追求高功率密度、低总体谐波分布，电力电子系统的开关频率趋于高频化[4]。传统以CPU为计算核心的EMT实时仿真，它们以5～10μs的最小仿真步长难以准确刻画开关的高频特性[5]。FPGA强大的并行计算能力、高带宽低延迟的I/O接口能够更准确地描述电力电子拓扑的开关事件[1]。以FPGA为计算核心进行实时仿真已成为一种趋势[6-8]。FPGA编程门槛高、开发周期长，增加了它用于实时仿真的难度。当前一种比较好的解决思路是基于通用解算器的仿真方法[9-13]。不同电路的数学模型可以统一为代数-微分方程组的形式[2]。如果方程求解程序实现了通用化，仿真时只需将其固化就可以处理不同的仿真对象，无需重复编程。Opal-RT公司在2011年公开了其FPGA实时仿真通用解算器的最早版本[9]，并提出新的浮点乘累加（Floating-PointMultiply-Accumulate,FPMAC）实现方法用于解算器的计算引擎[10]。为了提高仿真速度，MAC又被替换为并行度更大的向量点积（DotProduct,DP）[11]，但两者...
