מדוע VHDL משנה את בקרת האנרגיה החדשה

בעוד העולם מאיץ את המעבר שלה לכוח בר קיימא, האמינות והיעילות של מערכות אנרגיה מתחדשת תלויה במידה רבה באלקטרוניקה הבקרה הדיגיטלית ששולטת בהם. תזמון Photovoltaic, ממירות רוח, ויחידות אחסון סוללות כל דורשות מהר, ⁇ סטי, ובקרים לאומנים כדי לחלץ אנרגיה מקסימלית, לשמור על יציבות רשתית ספציפית VHD -VHD -VHD -VHS Hardware Language - הופכת אבן הפינה של תחום זה, כי מאפשר מעבדים משולבים וגרסאות (אך)

מאמר זה בוחן כיצד VHDL מוחל על פני ספקטרום המלא של מערכות אנרגיה מתחדשת.אנחנו נבחן את התכונות הליבה של השפה שהופכות אותו מתאים לשליטה בזמן אמת, לעבור דרך דוגמאות עיצוב מפורטות למעקב אחר נקודת כוח סולרית מקסימלית (MPPT), רוח טורבינות ו- YawHD, וניהול סוללות, ולאחר מכן לדון את זרימת העבודה הרחבה יותר ומגמות עתידיות.

מימון VHDL בקונטקסט של בקרת חשמל

VHDL פותחה במקור על ידי משרד ההגנה האמריקאי בשנות ה-80 ככלי תיעוד וסימולציה.במשך עשרות שנים היא התפתחה לשפת תיאור חומרה בעלת ביצועים מלאים המסוגלת מודלים של הכל מלוגיקה משולבת פשוטה למכונות ממשלתיות מורכבות (FSMs) ועיבוד אותות דיגיטליים (DSP). מספר תכונות שהופכות את VHDL יעילה במיוחד עבור בקרים אנרגיה מתחדשת:

  • (FLT:0) ביצוע זמני של הוצאת FLT:1) - תהליכים מרובים של VHDL לרוץ בו זמנית, מראה את האופי המקביל של חומרה.זה קריטי עבור משימות כגון קריאה של קלטי חיישן מרובים, מחזורי חובה PWM, וביצוע לוגיקה זיהוי לקוי באותו מחזור שעון.
  • (ב) ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד: ויקרא י"ד:2 , ויקרא י"ד) , [17] , [17] , [17] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) מודולריות ההיררכיה של Hierarchical Modularity FLT:1) ניתן לבנות עיצובים לגופים וארכיטקטורה הניתנים לחזרה, המאפשרים למהנדסים לבנות ספריות של בלוקים מאומתים (למשל, בקרים PWM, ADC ממשקים) שניתן לשתף אותם בפרויקטים.
  • (FLT:0) סימולציה מדויקת סימולציה 1FLT: בניגוד לשפות ברמה גבוהה, VHDL מדמה תזמון ברמה גבוהה ממש ועיכובים בהפצה, המאפשר למהנדסים לאמת שולי תזמון ופעולה ללא סלקטיבי לפני ביצוע סיליקון.

מודלים מתקדמים לעומת מודלים אפשריים

VHDL מספק שני סגנונות מודלים בסיסיים.TheFLT:0 â € â € ¢ â ¢ ¢ â ¢ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ¢ â ¢ ¢ ¢ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

VHDL באנרגיה סולארית: כוח מקסימלי מעקב

לוחות סולאריים יש תכונה לא לינארית הנוכחית (I-V) האופיינית לשינויים עם אי-המציאות וטמפרטורה. כדי לחלץ את הכוח הזמין המקסימלי, בקר חייב להתאים באופן רציף את נקודת התפעול של הלוח - זו המשימה של אלגוריתם מקסימום Power Point Tracking (MPPT). VHDL יישום של MPPT הם פופולריים כי הם יכולים לבצע אלפי צעדים טורים לשנייה עם קביעת תגובה מינימלית, תגובה מיקרו-קלרית של פתרונות מיקרו-בקר טיפוסית של שליטה.

Perturb & Observe (P&O) Algorithm ב VHDL

שיטת MPPT הפשוטה ביותר, Perturb & Observe, מציגה זעזוע קטן במחזור החובה של המרת DC-DC המממשק את הפאנל לעומס.אם הכוח המתקבל עולה, ההפוכה ממשיכה באותו כיוון; אחרת, היא הפוכה. A VHDL יישום בדרך כלל מורכב:

  • (ב) [ה]המכונה של מדינה שקוראת מתח ונוכחת ממירים אנלוגיים-לספריים חיצוניים ומאחסן את הערכים ברישום.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) לוגיקה וכיוון לוגיקה לוגיקה 1R.
  • (ב) ,0)PWM GeneratorFLT:1 - בלוק מבוסס על ניגוד שמייצר את אות מחזור המשתנים השולט על מתג המרתר.

יישומים מתקדמים עשויים לכלול גם מסננים דיגיטליים כדי להפחית רעש משינוי טראנסים וגבול בגודל מינימלי של שלב כדי למנוע oscillations ליד נקודת הכוח המקסימלית. כי כל לולאת MPPT פועל בחומרה, שיעורי עדכון יכולים לעלות על 100 kHz, ומאפשר למערכת לעקוב שינויים מהירים באסון הנגרמים על ידי עננים חולפים.

התנהגות בלתי חוקית והונאה פתוחה-Circuit Voltage

עבור דיוק גבוה יותר, האלגוריתם של התנהגות (Inccond) משווה את ההתנהלות המצטברת (dI/dV) להתנהלות המיידית (I/V) שיטה זו נמנעת מהתנודות של P&O בתנאים קלים של המדינה, כלומר, הפונקציה OpenCDC דורשת מתפצלה צינורות לחישוב ההתנהגות, אשר יכול להיות מפוצלת באמצעות לוח הפעלה של לחץ מסוג 0C1 (Faccrecrecrection) באופן דומה.com) עם לוח פתוח באופן דומה.

לקריאה נוספת על אלגוריתמים של חברי פרלמנט סולאריים ומימוש החומרה שלהם, IEEE's (FLT:0 Transactions on Power Electronics Elements FLT:1 מפרסם מספר מחקרים בנושא זה: One-cited Resources הוא "מחקר השוואתי של MPPT Algorithms for Photovoltaic Systems" (FLT:2IEEE XploreFLT:3), אשר פרטים שונים תחת תנאים סביבתיים.

בקרת אנרגיית הרוח עם VHDL

טורבינות הרוח מציגות קבוצה שונה של אתגרים שליטה.האינטרטיה המכנית גדולה, מהירויות רוח הן טורחות, ואת רכבת הכוח (gearbox, גנרטור, ממיר כוח) חייב להיות מוגן מגורים קיצוניים. VHDL הוא לעתים קרובות פרוס באלקטרוניקה השולטת כי לנהל blade , nacelle yaw, ואת ממשק האלקטרוניקה כוח עבור הכפלת כפולה גנרטורים (DS) קבוע (Grantsyntsyntrant) או גנרטור קבוע (Grantrantrantrantrant).

ביקורת: Blade Pitch

שליטה Pitch מתאמת את זווית להבים טורבינות כדי להסדיר מהירות רוטר ואווירדינמי טורק.מעל קצב רוח מדורג, בקר המגרש מגביל את כוח ללכוד כדי למנוע עומס יתר לחץ מכני. A VHD מבוסס בקר מגרש דאנס בדרך כלל מיישם את קצב הבקרה היחסי (PI) או מידת האלגוריתם האינטגרציה (PID) כי קורא רוטט ממהירות, לעומת זאת, שימוש בקידוד נמוך (pautric) עם לוגיקה).

Yaw Control and Tower Shadow Compensation

Yaw control orients את התא לתוך הרוח כדי למקסם את לכידת האנרגיה. VHDL בקרים עבור yaw להשתמש חיישנים כיוון הרוח (למשל, aemometers) ו a פשוט band-band מהפך כדי להימנע מעודף של yaw Actuator רכיבה על אופניים. A יישום מתוחכם יותר משלב פיצוי צל מגדל: העיכובים הקטנים כמו הלהב עובר המגדל, הפחתת תזמון מדויק, אשר דורש פיצוי שעון יציב.

Power Converter Control for Dender and PMSG

טורבינות רוח מודרנית מתחברות לרשת באמצעות ממירי חשמל.עבור מערכות DIG, הממיר המסתובב של Soor-side שולט בכוח הפעיל והפעיל, בעוד הממיר של הרשת מחזיק במתח DC-link ו-Synchronization רשת.VHDL משמש ליישום בקרת שדה-הבסיס (FO) או ישירות להורדת בקרה (DTC), אשר כוללת בקרת בקרה ו- Park ביעילות, רגולטורים, ו-DK, דרישות של פונקציות של MicrosoftFact, כמו: C-L-DMCL) ו-DMCC.

מערכות אחסון אנרגיה וניהול סוללות

אחסון אנרגיה סוללה חיוני כדי חלקה את הפלט לסירוגין של השמש והרוח.מערכת ניהול הסוללה (BMS) לפקח על מתח, הנוכחי, הטמפרטורה, מצב המטען (SoC), והוא מנהל איזון תאים והגנה. בעוד פונקציות BMS רבות מבוצעות על ידי חזית אנלוגית עם פיקוח מיקרובקר, בטיחות קריטית ומשימות בקרה ליהנות מההתנהגות ה ⁇ של לוגיקה מבוססת VHDL.

המדינה-של צ'אנג אסטימו

Accurate SoC estimation לעתים קרובות משתמש ספירת Coulomb בשילוב עם מסנן Kalman (או מסנן קל יותר מורחב Kalman) ב VHDL, Coulomb ספירת integrator הוא פשוט: נוגד מצטבר את המוצר של הנוכחי והזמן.המסנן הקלמן, עם זאת, כרוך פעולות מאטריקס ו חישובים מרובעים כי יכול להיות משאב-רגיש גישה נפוצה היא ליישם את הלחץ של מקבילה באמצעות משוואה פתוח באמצעות קומפקטית (Dcucicuit) באמצעות קומפקטית מערכת הפעלה פתוחה באמצעות קומפקטית Dup-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-up-מחדשנית).

לוגיקה של טיהור והגנה

איזון עוברי מדמם אנרגיה מתאים בעלי מתח גבוה דרך התנגדות, בעוד איזון פעיל מעביר אנרגיה בין תאים באמצעות מעבורת מעבורת מעבורת או מעגלים מבוססי אינדוקטור.אלגוריתם האיזון הוא בדרך כלל מכונה מדינה שקוראת מתח תאים מ- ADC, מזהה את התאים הדורשים ניתוק, ומפעילה את המתגים המקבילים.

העיצוב של BMS מבוסס VHDL נדון בפירוט בדו"ח יישום של טקסס מכשירים "FreaLT:0" FPGA מבוסס מערכת ניהול סוללות ניהול סוללה FLT:1", אשר מכסה מכונות, ממשקי תקשורת (SPI, I2C), ו אדמוניות.

פיתוח: VHDL Renewable Energy Controller

פיתוח בקר דיגיטלי לאנרגיה מתחדשת כרוך יותר מכתיבה קוד VHDL. השלבים הבאים מייצגים את זרימת עבודה לקריאה ייצור אשר מאזן סימולציה נאמנות, שימוש במשאבי חומרה, ובדיקה קפדנית.

מערכת מפרט וחלוקת

הצעד הראשון הוא להגדיר את דרישות השליטה: שיעור הדגימה, PWMרזולוציה, רוחב פס שליטה, זמני תגובה תקלות, ופרוטוקולים תקשורת. מהנדסים לאחר מכן לחלק את המערכת לתחומים תוכנה וחומרה. במערכת סימנים מעורבת טיפוסית, FPGA (התקבלה עם VHDL) מטפל במשימות מהירות גבוהות כגון PWM דור, חיישן קראט, ורמת לוגיקה, תוך שימוש במיקרו-תפקודים גבוהים יותר כמו מיקרו-מעבדים חיצוניים או תפעול נתונים.

עיצוב RTL וסימולציה

קוד VHDL כתוב ברמת ה-Regtransfer (RTL) כל מודול עוקב אחר מבנה ממושמע: הצהרת ישות מגדירה את נמלי I/O (למשל, FLT 3,FLT:4, FLT:4, FLT:5, FLT:5,FLT 6); ארכיטקטורת מחזורים מכילה אותות ותהליכים מקבילים כגון ModelSim, GL, או Vivados כדי לאמת את הפונקציונליות הנוכחית של Pramient)

סיינטזה, מקום וכביש

לאחר שסימולציות עוברות, קוד VHDL מסונתז לתוך רשימה של שערי לוגיים ופסד-flops. Synthesis כלים מ- AMD (Vivado) או אינטל (Quartus Prime) מאפשרים למהנדס לקבוע מגבלות תזמון, כגון תדירות השעון היעד ועיכובים קלט / קידוד DTMDPSD.Macks הוא אז להציב ולהוביל אל היעד FPGA או במהלך שלב זה, דוחות שימוש בכלי לחץ נמוך (Dips), כי אם כן, DTM) יש צורך ב-Dips (Dips) לחץ דם קריטי, DTM) כי הוא לחץ דם DTMR.

בדיקה אחרונה ב-HIL-HIL

לפני הפריסה, בקר VHDL נבדק נגד סימולציה בזמן אמת של הצמח (פאנל solar, טורבינות, סוללה) חברות כמו Typhoon HIL ו-OPAL-RT לספק סימולטורים בזמן אמת מבוסס FPGA, אשר יכולים לבצע מודל מפורט של אלקטרוניקה כוח ודינמיקה מכנית. . . . .VHDL קוד VHDL הוא הורד בפועל FPGA, ואת הפלט שלה כונן PWMs סימולציה של תהליך זה במהירות / סימולציה של מערכת יעילה זה - כלומר, כלומר, תחת סיכון סביר / סטנדרט יעיל של מערכת יעילה מאוד - כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, ללא טיפול יעיל של מערכת הפעלה יעילה של מערכת הפעלה יעילה של מערכת הפעלה יעילה של מערכת הפעלה יעילה של מערכת ההפעלה יעילה של מערכת ההפעלה יעילה של מערכת ההפעלה בפועל, היא יעילה של מערכת ההפעלה יעילה של מערכת ההפעלה בפועל - היא יעילה של מערכת ההפעלה התקני HSD.

השוואה של VHDL עם Verilog ו High-Level Synthesis

מהנדסים נכנסים לתחום לעתים קרובות לשאול איזו שפה תיאור חומרה היא הטובה ביותר עבור בקרת אנרגיה מתחדשת. הן VHDL ו Verilog מסוגלים, אבל הפונקציונליות של VHDL וטיפינג חזק יכול להיות יתרון ביישומים קריטיים בטיחות כי הקוד הוא יותר self-docuing ופחות נוטה לסנזה לא תואם. Verilog, מצד שני, הוא נפוץ יותר ביישומים ASIC כבר מכיר.

כלים של High-Level Synthesis (HLS) כגון Xilinx Vitis HLS, מאפשרים למהנדסים לכתוב אלגוריתמים שליטה ב C/C++ ובאופן אוטומטי לייצר RTL. בעוד HLS מאיץ את העיצוב של רשתות DSP מורכבות (למשל, Kalman filters), זה לעתים קרובות מייצר חומרה יעילה פחות עבור לוגיקה בקרת רוח מסחרית, שבו כל אחד משניים ל-HD נשאר מתרגם להפסדים קריטי VL.

השוואה מפורטת של VHDL ו- Verilog לשליטה תעשייתית ניתן למצוא ב"FLT:0VHDL לעומת Verilog: AהשוואהFLT:1" מדולוס, המדגישה את חוזק השפות בהקשרים עיצוביים שונים.

פרספקטיבה עתידית: AI, Real-Time Reuration ו- Edge Computing

העשור הבא יראה בקרים מבוססי VHDL הופכים אפילו יותר אינטליגנטיים. ענפי שער הניתנים לחיזוי שדה הם עכשיו גדולים מספיק כדי לארח מנועי רשת עצביים קלים של רשת עצבית. חוקרים מתפשטים ברשתות עצביות של שבב על FPGAs כדי לחזות קרידות סולארית או מהירות רוח קדימה, המאפשרים ל- MPPT או בקר סט לנקודות הפעלה טרום-מפוסמות.

מגמה נוספת היא הגדרה חלקית - היכולת לשנות חלק מהלוגיקה של FPGA בעוד השאר ממשיך לפעול.בקר בחווה סולארית יכול, למשל, להחליף אלגוריתם MPPT כושל עם גיבוי מבלי לקחת את המערכת כולה באופן לא מקוון.

לבסוף, כשמערכות אנרגיה מתחדשות הופכות מבוזרות וממוקדות, FPGAs מציעות תערובת ייחודית של שקיפות נמוכה ומבצע דטרמיוני כי בקרים המוגדרים בתוכנה אינם יכולים להתאים. VHDL, עם עשרות שנות תמיכה בכליים והפשטות חומרה, נותרת השפה של בחירה עבור מהנדסים שצריכים לדחוף כל ציפייה של יעילות מחוץ למגירה תוך הבטחת פעילות לא בטוחה בתנאים קשים ברשת.

עבור אלה המעוניינים במחקר האחרון על בקרת אנרגיה מתחדשת מבוססת FPGA, האגודה IEEE Power Electronics מפרסם מאמרים קבועים ב-FLT:0IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power ElectronicsBuildFLT:1; מאמר אחד לאחרונה, "FLT:2FPGA-מבוסס-Time Simulation and Control of Grid-Connected Photovolic StructureFLT 3:" מציג רשת של MPPT-S-S-S-S-S-SEC.

מסקנה

VHDL אינו משוחזר של שנות ה-80; הוא מאפשר באופן פעיל הדור הבא של חומרה לאנרגיה נקייה.מעבור לולאות MPPT בקנה מידה מיקרו-שנית על גג השמש המופנמים לשליטה רב-תחומית של טורבינות רוח בקנה מידה גדול והגנת סוללות מתוחכמת לאחסון רשת, VHDL מספקת את הדטרמיניזם, המקבילה והאמינות שמערכות אנרגיה מתחדשות דורשות על ידי הבנת המושגים של מודלים של שפה, עיצוב, שימוש בתקנים חיוניים, תוך כדי שמירה על חשמל דיגיטלי, תוך שימוש בתקנים חיוניים, תוך כדי שמירה על בסיס בקרה, תוך שימוש ב-ידי שימוש ב-VFPL, ימשיך לשלוט על ידי שימוש בתקנים חיוניים, תוך כדי שמירה על ידי שימוש בתקנים חיוניים, כמו גם בתקנים חיוניים, ו-ידי שימוש ב-VHDL, ו-VHDL, כמו גם ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-VFPL, כמו גם ב-ידי שימוש ב-VHDL, כמו גם ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב-ידי שימוש ב