FPGAシミュレーション

パワーコンディショナと回路

パワーコンディショナの昇圧回路・主回路には様々な回路が提案されています。
これらはほとんどがPWMキャリアとしては最大２０KHｚで　モデル制御周期　500nssec以下のスペックが要求されます。

モデル制御周期の500nsecは非常に高速ですが　実機と同じような結果をシミュレーションで得ようという場合は　このスペックが必要です。

パワーコンディショナのインバータ波形

パワーコンディショナのインバータ波形は　コントローラから送られるPWM信号によって生成されます。
この波形を精度良く再現する為には、正確なPWMパルスの生成と高速なモデル演算周期が必要になります。

キャリア周波数が20KHｚの場合、ピーク位置の同定は50μsec程度となり、サンプリング時間は1μ以下が要求されます。

インバータのキャリア周波数は5KHz PWM信号はモデルから生成。 コントローラは系統とは別のCPUに置かれ、　DCバスは700Vに固定。
波形を拡大すると8msの間に40波（2msecで約10波）が観測される。 この場合ひとつの山は0.2msで、周波数5kHzの波となり、インバータのキャリア周波数と一致する。 インバータの動作を正確に反映していることが確認される。
200μsecのピークをきちんと再現する為には少なくとも数十ポイントのサンプリングが必要。 通常キャリア周波数は20KHz程度が使われる。 その場合ピーク位置は50μsecとなり、サンプリングは1μ以下が要求される。モデルの演算周期は数百nsecが必要となる。

FPGAシミュレーションの必要性

CPU上にモデルを置いた場合、制御周期は最速で数μsecのスピードが限界です。
インバータの生成波形を精度よく再現する為には、もっと高速の演算周期が要求されます。

CPUはクロックは速いですが　特性として演算に特化することが出来ません。
インバータの正弦波のようなものを精度よく再現する為には、FPGAが使用されます。

FPGAは、「Field Programmable Gate Array」の略で論理演算専用のロジックデバイスです。
モデルをFPGAに置くことで数百nsecの制御周期で演算が可能になりました。
OPAL-RTの太陽光発電向けHILSシステムの場合、パワーコンディショナのDC/DC DC/ACのコンバータのモデルは、通常FPGAに置かれます。

FPGA上のモデル作成

FPGAの論理設計はVHDL（VHSIC HDL）またはVerilog HDLなどのHDL（Hardware Description Language）で設計します。
このため、SimulinkやSimscape Electrical™(旧SimPowerSystems™)でモデルを記述しても、それをHDLに変換する必要がありました。
この作業は、ユーザーがFPGAに精通していない場合　かなり大きな負担になります。

XillinX社から提供されているXillinX　Simulinkブロックセットを使い、XillinX　 System　Generatorを使ってコンパイルすることで　この問題が解決します。
OPAL-RTの独自技術で、Simulinkで作成されたブロックはRealTimeWorkshopで XillinX Simulinkで作成されたブロックはSystem　GeneratorでコンパイルされそれぞれCPUとFPGAに自動的にダウンロードされます。
ユーザーはモデルをSimulinkで記述するだけで、高速の演算周期が得られます。
株式会社 NEAT

Opal-RT Technologies,Inc.