Hardware-in-the-Loop FPGA-based Simulations of Switch - mode Converters for Research and Eucational Purposes

• Autorzy: Penczek A. , Stala R. , Stawiarski Ł. , Szarek M.

Warianty tytułu

PL

Symulacje czasu rzeczywistego przekształtników impulsowych, zrealizowane w układach FPGA, dla celów badawczych i edukacyjnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents in details a method and results of Hardware-in-the-Loop real-time simulation of switch-mode converters in FPGA based hardware. A mathematical description of DC-DC boost converter model, its FPGA-based implementation and debugging results are presented. The results are compared with Simulink model and practical converter. The presented method of simulation can be used for verification of discrete control in designed converters and also as an educational platform.

PL

W artykule przedstawiono w szczegółach metodę i rezultaty symulacji przekształtników impulsowych zrealizowane w układach FPGA. Przedstawiono opis matematyczny modelu przekształtnika DC-DC podnoszącego napięcie, jego implementację w układzie FPGA oraz wyniki. Wyniki z modelu są porównywane z modelem zbudowanym w pakiecie Simulink oraz z praktyczną realizacją układu. Zaprezentowana metoda symulacji może zostać zastosowana do weryfikacji sterowania dyskretnego w projektowanych przekształtnikach oraz jako platforma edukacyjna.

Słowa kluczowe

EN

Hardware-in-the-Loop simulation; FPGA; real-time model; DC-DC boost converter; electrical technology; electrical power engineering

PL

FPGA; czas rzeczywisty; przekształtnik DC/DC; przekształtnik typu boost; symulacje; elektrotechnika; elektroenergetyka

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2011
• Tom: R. 87, nr 11
• Strony: 194--200
• Opis fizyczny: Bibliogr. 29 poz., il., tabl., wykr.

Twórcy

autor

Penczek A.

autor

Stala R.

autor

Stawiarski Ł.

autor

Szarek M.

• Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica, Katedra Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych, Al.Mickiewicza 30, 30-059 Kraków,

Bibliografia

• [1] Cirstea M., Power electronic Systems VHDL Modelling and FPGA Controller Prototyping, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), 81 (2005), nr 4, 16-20.
• [2] E. Koutroulis, K. Kalaitzakis and V. Tzitzilonis, Development of an FPGA-based System for Real-Time Simulation of Photovoltaic Modules, Seventeenth IEEE International Workshop on Rapid System Prototyping (RSP'06).
• [3] A. Parera Ruiz, M. Cirstea, W. Koczara, R. Teodorescu, Novel Integrated Renewable Energy System Modelling Approach, Allowing Fast FPGA Controller Prototyping, 11th International Conference Optimization of Electrical and Electronic Equipment, OPTIM 2008, May 2008, pp. 395 – 400.
• [4] Stala R., Testing of the grid-connected photovoltaic systems using FPGA-based real-time model, 13th International Power Electronics and Motion Control Conference, Poznan–Poland, 1 – 3 Sept., 2008.
• [5] Piróg S., Stala R. and Stawiarski Ł., Power electronic converter for photovoltaic systems with the use of FPGA-based real-time modeling of single phase grid-connected systems, Bulletin of the Polish Academy of Sciences: Tech. 57(4) 2009, pp. 345- 354.
• [6] Stala R. and Stawiarski Ł., Modele czasu rzeczywistego ogniw fotowoltaicznych zrealizowane w układach FPGA, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), 86 (2010), nr 2, 358-363.
• [7] Stala R. and Szarek M., Oszacowanie strat energii w systemie fotowoltaicznym na podstawie symulacji czasu rzeczywistego w układzie FPGA, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), 86 (2010), nr 2, 364-369.
• [8] R. Ruelland, G. Gateau, T.A. Meynard, J.M. Hapiot, Design of FPGA-Based Emulator for Series Multicell Converters Using Co-Simulation Tools, IEEE Trans. On Power. Electron., 18 (2003), n. 1, 455-463.
• [9] Stala R., Analiza sterowania przekształtnika wielokomórkowego ac/ac na podstawie modelu zrealizowanego w układzie FPGA, Przeglad Elektrotechniczny (Electrical Review), 83 (2007), nr 10, 28-36. 200 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 87 NR 11/2011
• [10] Piróg S., Baszyński M., Modelling a single phase multicell DC/AC inverter using FPGA, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), 84 (2008), nr 2, 84–87.
• [11] C. Dufour, S. Abourida, J. Belanger, Real-Time Simulation of Permanent Magnet Motor Drive on FPGA Chip for High- Bandwidth Controller Tests and Validation, IEEE ISIE 2006, July 9-12, 2006, Montreal, Quebec, Canada.
• [12] J. Imhoff, J.R. Pinheiro, J.L. Russi, D. Brum, R. Gules and H.L. Hey, DC-DC Converters in a Multi-String Configuration for Stand-Alone Photovoltaic Systems. IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 55, NO. 7, July 2008, pp. 2724-2733.
• [13] N. Femia, G. Lisi, G. Petrone, G. Spagnuolo, and M. Vitelli, Distributed Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Arrays: Novel Approach and System Analysis, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 55, NO. 7, July 2008.
• [14] Q. Li, and P. Wolfs, A Review of the Single Phase Photovoltaic Module Integrated Converter Topologies With Three Different DC Link Configurations, IEEE Trans. On Power Electron., Vol. 23, NO. 3, May 2008, pp. 1320-1333.
• [15] W. Li, G. Joós, and J. Bélanger, Real-Time Simulation of a Wind Turbine Generator Coupled With a Battery Supercapacitor Energy Storage System, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1137-1145.
• [16] M. O. Faruque, and V. Dinavahi, Hardware-in-the-Loop Simulation of Power Electronic Systems Using Adaptive Discretization, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1146-1158.
• [17] D. Westermann, and M. Kratz, A Real-Time Development Platform for the Next Generation of Power System Control Functions, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1159-1166.
• [18] S. Huang and K. Kiong Tan, Hardware-in-the-Loop Simulation for the Development of an Experimental Linear Drive, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1167- 1174.
• [19] A.-L. Allegre, A. Bouscayrol, J.-N. Verhille, P. Delarue, E. Chattot, S. El-Fassi, Reduced-Scale-Power Hardware-in-the- Loop Simulation of an Innovative Subway, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1175 - 1185.
• [20] L. Gauchia, J. Sanz, A Per-Unit Hardware-in-the-Loop Simulation of a Fuel Cell/Battery Hybrid Energy System, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1186 – 1194.
• [21] L. Gauchia, J. Sanz, A Per-Unit Hardware-in-the-Loop Simulation of a Fuel Cell/Battery Hybrid Energy System, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1195 – 1207.
• [22] S. Grubic, B. Amlang, W. Schumacher, A. Wenzel, A High- Performance Electronic Hardware-in-the-Loop Drive¨CLoad Simulation Using a Linear Inverter (LinVerter), IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1208 – 1216.
• [23] Y. Srinivasa Rao, M. C. Chandorkar, Real-Time Electrical Load Emulator Using Optimal Feedback Control Technique, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp.1217 – 1225.
• [24] S. Karimi, P. Poure, S. Saadate, An HIL-Based Reconfigurable Platform for Design, Implementation, and Verification of Electrical System Digital Controllers, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1226 – 1236.
• [25] F. R. Palomo Pinto, A. P. Vega-Leal, "A Test of HIL COTS Technology for Fuel Cell Systems Emulation", IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1237 – 1244.
• [26] A. J. Roscoe, A. Mackay, G. M. Burt, J. R. McDonald, Architecture of a Network-in-the-Loop Environment for Characterizing AC Power-System Behavior, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1245–1253.
• [27] M. Steurer, C. S. Edrington, M. Sloderbeck, W. Ren, J. Langston, A Megawatt-Scale Power Hardware-in-the-Loop Simulation Setup for Motor Drives, IEEE Trans. On Ind. Electron., Vol. 57, NO. 4, April 2010, pp. 1254 - 1260.
• [28] Baszyński M., Zasilacze o podwyższonym współczynniku mocy Dla sprzętu AGD. Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), 87 (2011), no 3, 237-242.
• [29] A. Javadi, G. Olivier, F. Sirois ,A real-time power Hardware-inthe- Loop implementation of an active filter, Przegląd Elektrotechniczny (Electrical Review), 2011, no 11a.