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武汉理工大学 - APF控制器HIL测试

"利用半实物仿真平台模拟实验环境来调试控制器,避免了实物测试存在平台建设周期长、试验过程中容易出现“炸机”等问题。"  

                                                                                                                          ——————武汉理工大学 邓翔天老师

需求

武汉理工大学电气工程系希望搭建一个平台以研究APF(有源电力滤波器)控制器的谐波补偿方法,但通过真实电阻、电感与整流桥搭建的非线性负载对APF的性能进行测试,存在建设周期长、试验时易发生“炸机”等问题。因此,搭建一个实时数字仿真平台,与APF控制器形成闭环进行硬件在环测试(Hardware-in-the-loop Testing,简称HIL),是研究控制策略较为理想的选择,此HIL平台能为APF控制器与控制算法的开发与验证提供强有力的支持。

有源滤波器系统实时仿真挑战

此文介绍的有源电力滤波器主电路拓扑如下:



 


此拓扑结构包含了电网、不控整流负载(谐波源)以及基于两电平桥和LCL滤波器的有源滤波器系统,其中有源滤波器系统含有软启动电路。APF通过两电平桥产生补偿电流来抵消负载电流中的谐波电流。

有源电力滤波器补偿电流的频率远高于工频,因此不能像某些电压源逆变(VSC)系统一样将两电平桥等效为电压源模型后,进行几十微秒的大步长实时仿真。为了能尽可能的模拟真实装置,有源滤波器的主电路仿真需要基于两电平IGBT桥的细节模型进行1微秒左右的小步长实时仿真,如此快的仿真速率要求给实时仿真带来很大的挑战。

上海远宽能源科技有限公司(ModelingTech)利用最新的FPGA技术,在美国NI公司的硬件平台上开发的StarSim电力电子实时仿真平台实现了任意电力电子拓扑的细节模型的小步长实时仿真,这样的实时仿真产品非常契合武汉理工大学电气工程系科研团队对有源滤波器的实时仿真需求。

注:电力电子的细节模型指的是对电力电子系统进行建模时,需要对每个电力电子开关建模(常用的有大小电阻或LC的建模方式),各开关的状态仅由其自身的电压电流和控制信号决定;再根据系统的拓扑结构(无需拓扑结构的先验假设,可支持任意拓扑)形成系统整体的电路方程。

基于StarSim和PXI的有源滤波器硬件在环仿真系统

整个系统的方案设计如下,系统由两个部分组成:第一部分是ModelingTech开发的基于美国NI公司实时硬件的电力电子实时仿真器,利用StarSim电力电子仿真软件搭建的有源滤波器的主电路模型以1微秒的仿真步长运行在仿真器的FPGA上;第二部分武汉理工大学开发的APF的控制器,其示意图如下:

 

实际系统具体如下图所示,左图白色机箱是电力电子实时仿真器,右图红色框中的控制板是武汉理工大学开发APF的控制器。

实验结果

如下APF的上位机界面中,一共有4个波形图,从上到下依次是:电网电压,非线性负载电流,电网电流,两电平桥上下电容电压。

APF稳压但未补偿前界面:

 


APF稳压且补偿后界面:

 


通过第三个波形图可以明显看到通过APF的补偿,电网电流中的谐波电流被去除,电网电流的波形变好(接近纯正弦波),即实时仿真实验验证了武汉理工大学所研发的APF控制器可很好地抑制、滤除非线性负载的谐波电流。

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