基于Matlab自动代码生成的APF研究

郭飞亚， 尹太元

(中原工学院， 郑州 450007)



基于Matlab自动代码生成的APF研究

郭飞亚， 尹太元

(中原工学院， 郑州 450007)

摘要：针对传统有源电力滤波器(APF)开发周期长、系统算法设计与硬件实现脱节的弊病，提出了基于Matlab自动代码生成的有源电力滤波器开发方法。将Matlab/RTW工具与Simulink相结合，在建立APF数学模型的基础上，采用PI控制加重复控制策略，搭建Simulink仿真模型，从Simulink模型自动生成代码，并自动建立可实时运行的程序。对比仿真与实验波形，验证了基于Matlab自动代码生成的APF开发方案的可行性与高效性。

关键词：有源电力滤波器；自动代码生成；重复控制

有源电力滤波器(APF)是一种新型的抑制谐波与补偿无功功率的电力电子装置,可以补偿频率和幅值时变的谐波分量和无功分量，具有广泛的应用前景。APF的传统开发方法,首先采用Simulink对控制算法进行仿真，证明算法的控制参数无误后进行手写代码编写，代码编写完毕后在硬件平台上进行实验,开发周期长，效率低，易出错，且成本较高。

基于Matlab自动代码生成的有源电力滤波器采用Matlab自动代码生成技术(RTW实时代码生成工具箱)，将设计、仿真、编程和优化集中到一起开发，克服了传统开发方式中控制算法与硬件实现相分离的弊病，可实现仿真与实际相对应，缩短了系统开发时间。

文献[1]提出基于PI控制的APF研发方法，但是，常规PI控制下的APF电流闭环传递函数中存在一个周期性的干扰信号,影响系统跟踪控制的实时性。文献[2]提出了重复控制策略，但是使用的是传统手动编写代码方法。文献[3]阐述了用Matlab完成自动代码生成的方法，但是并未给出研发实例，没有清晰描述仿真实现到代码生成的具体过程。针对以上问题，本文在建立APF数学模型的基础上，采用PI控制加重复控制策略，推导了APF控制方法，详细介绍了控制器参数的设计过程，以及 Matlab仿真与自动代码生成的具体实现过程，利用Matlab自动代码生成方法完成了APF样机的开发。仿真与实验证明，该方法可以缩短研发周期，降低研发成本，提高研发质量。

1自动代码生成流程

图1为基于Matlab/RTW自动代码生成的程序流程。根据系统控制要求，结合实际硬件参数，首先在Matlab平台下搭建系统模型，在Simulink中对算法进行仿真验证，并设计控制器，在仿真的过程中反复修改参数，使仿真结果满足控制性能的指标要求；然后，利用Target for TI C2000工具箱中的嵌入式控制模块，搭建基于数字信号处理芯片(DSP)的相应模块框图，再将该模块框图生成面向TI编辑器的C语言代码，并结合CCS软件集成开发环境，完成代码编译，生成DSP可以执行的机器码，最后下载到DSP目标板上运行，完成系统的开发。

图1　自动代码生成流程图

2硬件结构与软件算法

2.1APF主电路

APF的系统组成结构如图2所示。这里采用的是电压桥式电路结构，它主要由主电路、检测调理电路、控制电路、光电隔离电路和驱动电路组成。主电路包括直流侧电容、变流装置和输出滤波电路。检测调理电路包括对直流电压、负载电流、APF输出电流和电网电压的检测调理装置。控制电路采用以数字芯片DSP为核心的开发板。

图2　有源电力滤波器系统组成结构框图

APF的工作过程主要是对APF输入输出电流、电网电压、直流侧电容电压进行检测。检测信号经调理电路送入控制电路进行运算处理，产生的PWM波信号经光电隔离电路和驱动电路输入变流装置IGBT的栅极和发射极，用来控制IGBT的导通和关断，从而产生谐波补偿信号。

2.2系统模型及控制策略

三相系统主电路与单相结构类似，本文以单相回路为例来建立APF系统模型。单相APF原理如图3所示。图3中：交流侧为电感滤波；直流侧电容为逆变输出提供电压支撑，通过电压环稳定控制直流侧电容电压;us、ua分别为电网电压和逆变器输出电压;ia为逆变器输出电流;La为滤波电感;Ra为逆变器等效电阻，逆变器和线路损耗也折算在Ra中[4]。

图3　单相APF原理图

根据系统原理列出回路方程，可得到控制对象的数学模型：

基于该数学模型建立的装置控制结构如图4所示。

图4　APF单回路控制系统模型

基于内模原理的重复控制器对周期性扰动的抑制效果显著,它采用与瞬时值控制相结合的复合控制手段，可以获得满意的输出电流波形控制效果。本样机以提高APF系统交流信号跟踪精度以及谐波抑制能力为目的，引入PI内环控制加重复控制外环的双环控制策略，采用PI保证系统和重复控制装置来修正内环跟踪误差。

由于系统开关频率较高，可以把产生PWM波的逆变单元看作一个比例环节K1。为了提高装置的补偿精度和抵抗扰动能力，可将电网电压当作外部扰动处理，并设置前馈环节抵消其影响。

控制器采用PI控制内环加重复控制外环的双环控制结构。假设逆变单元等效比例环节K1=1，考虑前馈环节后，电流环等效控制结构如图5所示。Gs(z)为系统z域的传递函数。重复控制器包括内模发生器、基波周期延时和控制补偿环节。在电流的PI控制内环上设置滞后环节，用来抵消采样及计算延时的影响。

图5　电流环等效控制框图

3APF系统仿真及实验

本文开发出一台额定容量为24 kVA的有源电力滤波器(见图6)。其电网额定电压为380 V，电网每相额定电流为20 A，直流侧电压为750 V，功率单元采用英飞凌FF300R12KT4型IGBT全控器件，直流侧电容为7.2 mF，交流侧电感为1.5 mH，数字控制电路以TMS320F28335型DSP为核心。

图6　APF样机平台

3.1APF系统仿真

根据上述硬件参数及控制算法搭建的APF仿真模型如图7所示。

图7　APF仿真模型

在图7中，硬件结构1及硬件结构2为有源电力滤波器的必要硬件结构。其锁相环部分实现检测电网电压相位的功能；数据预处理部分对采集的数据进行必要的运算及数据格式转换；控制算法部分实现谐波电流检测及控制策略；模拟AD采集部分实现对直流侧电压及交流侧电流的检测，且其包含用于DSP芯片AD采集的代码生成模块28x ADC;C28x PWM模块用于模拟DSP28335内部的PWM生成模块；F28335 eZdsp的功能是配置仿真模型特定的IDE、工具链、硬件板卡和处理器，APF样机采用的是DSP28335芯片；powergui模块是Matab对于SimPowerSystems的模型环境块，设置采样时间为50 μs。

3.2自动代码生成过程

根据所建立的仿真模型搭建能够产生实时代码的控制模型，删除仿真模型中的硬件部分，只保留控制算法等软件部分，以及AD采集和PWM生成模块。实时代码生成控制模型如图8所示。

图8　实时代码生成控制模型

利用搭建好的控制模型生成实时代码。首先，将实际硬件连接好，即将DSP28335目标开发板与仿真器SEED-XDS510PLUS连接，并将仿真器与电脑的USB口连接。仿真器与电脑的连接需要使用CCS编译软件(本文使用的是CCS 3.3)。然后，在搭建好的控制模型中，点击Matlab菜单栏Tools-Code Generation-Build model。最后，Matlab自动识别并启动CCS 3.3，进行代码的生成和编译，并将代码烧写到DSP28335板卡中[5-6]。

3.3仿真结果与实验结果的对比

图9展示的是仿真中APF谐波治理前后的波形。图中，上面为a相谐波治理后的电流波形；下面为a相谐波治理前的电流波形。谐波治理后的电流有效值为20 A，THD由治理前的48%下降为3.2%。

图9　a相电流滤波前后对比

仿真结果显示，应用PI控制加重复控制的APF系统，可以治理电网中的谐波电流，治理后的电流正弦度好，THD较低。这说明该控制策略及控制参数合适。

图10是用四通道电能质量分析仪测量的a相电流谐波治理前后的波形对比。其中：处于最上面的第一个通道的波形为APF发出的补偿谐波；第二个通道的波形为治理前的a相电流波形，含有大量谐波，THD为35%；第三个通道的波形为a相电流经谐波治理后的波形，它的正弦度好，谐波含量低，THD为3.07%。

由于采用了Matlab直接代码生成技术，仿真与实验波形对应度很好，仿真结果与实验结果基本一致。这验证了该开发方法的可靠性以及该控制策略的可行性。

图10　a相电流补偿前后对比

4结语

本文提出了基于Matlab自动代码生成的有源电力滤波器(APF)系统开发方法,采用PI控制加重复控制方案，完成了样机系统的仿真及实验验证工作，并详细介绍了自动代码生成的流程及方法，具体介绍了系统仿真与自动代码生成的实现过程。仿真及实验验证表明，该开发方法实现了控制策略仿真与硬件实现的紧密结合，仿真与硬件实现对应度好，免去了手动编写代码的过程，开发周期短，可靠性高，对其他电力电子系统的开发具有借鉴意义。

参考文献：

[1]丁瑞昕,朱连成,王仲初.基于PWM控制并联型APF的MATLAB仿真研究[J].微计算机信息，2007,23(5)：292-294.

[2]杨昆,陈磊,陈国柱.单相SVG高性能补偿电流控制技术[J].浙江大学学报，2013,47(2)：339-344.

[3]齐振恒,孙中杰,李涛.RTW嵌入式代码自动生成机制与代码结构分析[J]．计算机测量与控制，2010,18(3)：639-642.

[4]张卫丰,余岳辉.基于RTW的SVPWM DSP控制系统[J].电工技术学报，2007,22(3)：102-106.

[5]王晓雷,张立功,高旭东.基于RTW的单相锁相环控制新方法研究[J].计算机测量与控制，2014,22(9)：2767-2769.

[6]颜晓庆,杨君,王兆安.并联混合型电力有源滤波器的研究[J].电力电子技术,1998,11(4)：4-6.

(责任编辑：王长通)

APF Study Based on Matlab Auto Code Generation

GUO Fei-ya, YIN Tai-yuan

(Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007, China)

Abstract：The traditional development methods of APF have disadvantages of long development cycle, the system algorithm design and hardware implementation disjointed. A method of APF design based on auto code generation from Matlab is proposed. PI & repetitive double loop control is used，and the Matlab/RTW tools and Simulink are combined to generate code directly from Simulink models and a program can run in real time is automatically created. Comparing simulation and experimental waveforms to verify the APF design based on auto code generated from Matlab is feasible and efficient.

Key words：active power filter; auto code generation; repetitive control

中图分类号：TM46

文献标志码：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.021

文章编号：1671-6906(2016)01-0088-04

作者简介：郭飞亚(1985-)，男，河南鹤壁人，主要研究方向为电气工程。

收稿日期：2015-05-10