基于FPGA的有源电力滤波器直流控制HIL仿真

摘要：本文讨论了一种利用现场可编程门阵列（FPGA）实现并联型有源电力滤波器（SAPF）的直流控制方法。本研究主要致力于实现一种专门用于SAPF的基于IP的迟滞电流控制器，以改善电能质量和消除电网电流谐波。基于fpga的控制器包括驱动一个SAPF的所有必要元素。提出的数字实现在良好的性能和简单的硬件实现之间取得了有价值的折衷，以最小的执行时间和低资源利用率。通过Matlab/Simulink对整个系统进行仿真，然后利用Xilinx 14.2 ISE在Atlys spartan-6上实现。

1 引言

由于大量非线性负荷、智能电器和可再生分布式发电的应用，为了保证分布式发电系统的稳定、正确高效运行，谐波补偿在分布式发电系统中变得越来越重要[1]。传统的无源滤波器被应用于降低电流谐波和提高负载功率因数。然而，在实际应用中，这些滤波器在补偿特性方面存在着老化和调谐问题、串并联谐振、体积无源元件和灵活性低等缺点[2]。这些缺点使得无源滤波器的选择和选择受到很大的限制。目前，基于电压源逆变器（VSI）的有源电力滤波器（APFs）是解决谐波问题的一种可行的方法。为了减轻分布式发电系统中的电流谐波失真，人们对APFs的运行和控制进行了大量的研究。传统的SAPF控制方法有间接电流控制[3]、直流控制（direct current control， DCC）[4]和直接功率控制[5]。这些控制方法通常使用PI调节器和一个调制阶段来产生门控信号。

新部件的速度性能和所有可编程解决方案固有的灵活性给今天工业控制系统的数字实现领域提供了许多机会。这对于硬件解决方案尤其正确，如现场可编程门阵列（fpga），反映了一个正确的解决方案，以提高控制器的性能。这些通用组件有效地结合在低成本开发（由于它们的可编程性）、使用合适的软件工具和特别重要的集成密度之间。

实际上，fpga已经成功地应用于许多不同的电力系统应用，如功率变换器控制（脉冲宽度调制（PWM）逆变器）、多电平变换器和电机控制。这是因为基于fpga的控制器实现可以有效地应对该领域当前和未来的挑战。因此，硬件在环（HIL）方法出现在系统设计中，成为测试电气系统性能的一种有效方法。HIL方法似乎是一个有效的替代方案，以加速验证通过一个特定的和相对低成本的设备，最终建立一个真实的和操作原型。本文提出了一种设计和仿真SAPF DCC的有效方法。采用硬件描述语言VHDL开发了DCC所需的模块，为任何FPGA提供了可移植性的优势;在二进制补码中使用了32位的定点表示。通过简单的描述，提出了一种基于FPGA的DCC硬件表示的有效设计方法。为了证明所提出的控制系统的性能和验证所提出的方法，在MATLAB/Simulink和xilinx14.2 ISE之间进行了硬件在环仿真（HIL）研究。

2 系统建模

图1描述了本文研究的并联型有源电力滤波器系统的基本结构。该系统由一个内部参数为Rs， Ls的三相电压源vs（a，b，c）、一个三相整流非线性负载和一个三相电压源逆变器（SAPF）组成。后者通过交流侧的三相RL滤波器（Rf， Lf）连接到公共耦合点（PCC）。SAPF的直流侧是一个电容（Cdc），它负责在稳定状态下维持一个有小波动的直流电压（Vdc）。

3 控制方法

SAPF的完整控制系统如图2所示。为了补偿无功功率和消除PCC非线性负载引起的源电流谐波，系统控制可分为直流链路电压的调节和输出电流滤波器的控制两个关键部分。

3.1直流环节监管机构

为了降低电压波动，保证SAPF的正常运行，将DClink电压保持在一个确定的值是合适的。提出了一种用于调整直流链路电压和估计最大源电流幅值的抗绕组式IP调节器，并将其用于计算滤波器参考电流。图3显示了所提IP调节器的框图。闭环调节的传递函数可以表示为：

3.2 直接电流控制

控制系统的第二部分是电流内环。在这种结构中，滤波器参考电流是通过从负载电流中减去源参考电流得到的。

4 硬件程序设计

控制方案的体系结构该控制系统包括IP防缠绕控制器、单位矢量产生和基于迟滞控制器的直流控制方法。所有的块都是使用VHDL语言指定的，每个操作后都有一个寄存器，这减少了组合逻辑上的延迟，并最大限度地提高了体系结构的操作频率。使用XC6SLX45-3CSG324 FPGA芯片在Xilinx Atlys spartan6板上进行HIL仿真，验证了完整的架构。本例将控制加载到FPGA中实时实现，利用MATLAB/ Simulink的SimPowerSystems工具箱对交流源、SAPF和非线性负载进行仿真。采用定点算法进行了硬件描述。所有变量都以二进制补码格式确定，字长为32位，1位为符号位，15位为整数字长，16位为小数字长。

5 硬件在循环的结果

为了验证SAPF的设计，在MATLAB/Simulink和Xilinx 14.2 ISE的基础上，通过使用spartan-6 LX45芯片的Atlyse spartan-6板进行HIL仿真;这提供了使用Simulink软件在真实硬件和实时中测试设计的能力。其中，电气部分的仿真使用Simulink进行，而Xilinx 14.2 ISE软件用于测试硬件架构，如图4所示。

然而，补偿后，在短暂的暂态（tr=10ms）后，直流链路电压被跟踪到其参考电压，具有良好的准确性和稳定性。此外，源电流为正弦波，总谐波失真较低（THD = 3.85%）。在SAPF通电后，有功功率与标称值重合，无功功率在0附近振荡。实验结果表明，该控制方案能有效地消除谐波电流。

此外，在负载变化的情况下，还测试了该滤波器的补偿效果。而后分别给出了负载突变时源电压、源电流、负载电流、SAPF输出电流和DC-link电压的HIL实现结果，其中负载在t=0.25s时突然下降50%，在0.15 s后恢复到第一个值。可以观察到，直流链路电压在短暂的瞬变之后继续接近它们的参考值，而源电流保持它们的正弦波形。负荷突变时有功功率和无功功率的HIL波形也需要测得。可以看出，无论负载变化如何，无功功率都保持在0左右振荡。

6 结论

本文提出了一种基于FPGA的并联型有源电力滤波器直流控制方法的完整体系结构。该系统由IP反绕组控制器、单位矢量产生控制器和磁滞电流控制器组成。在使用spartin -6 LX45芯片的Atlys板上进行了HIL仿真，成功地研究了整个体系结构。实验结果表明，所提出的直流控制方法运行良好。它有一个快速的响应和提供正弦线电流与低THD。此外，研究表明，所提出的IP反绕组调节器可以很好地调节直流链电压。

参考文献

[1]牛晓扬，王东辉.相移多波束形成的FPGA实现[J].网络新媒体技术，2020（04）：51-57.

[2]刘素贞，魏建，张闯，金亮，杨庆新.基于FPGA的超声信号自适应滤波与特征提取[J].电工技术学报，2020（13）：2870-2878.

[3]齐凤莲，李旭.基于FPGA的中值滤波算法的实现[J].机电产品开发与创新，2020（03）：70-72.

[4]钱秋妃，王柱，黄启俊，邹风华，廖远，张梦新.基于FPGA的全数字双通道符合多普勒展宽系统[J].电子技术应用，2020（03）：97-100.

[5]陳振东，杨飞帆.自适应滤波器的设计与制作[J].大学物理实验，2019（06）：88-91.

作者简介：罗晓朋 1996.10 男，汉族，硕士生，嵌入式系统设计