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武汉理工大学 - APF控制器HIL测试


应用背景

有源电力滤波器(APF)是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置,它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿,而且可以补无功和不平衡。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)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,HIL),是研究控制策略较为理想的选择。下图为用户研究的APF主电路拓扑:


                                                  


此拓扑结构中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,而APF补偿电流的频率远高于工频,对于这种带有高频信号的拓扑,如何尽可能地模拟真实装置使得仿真结果更准确,基于小步长的仿真技术就是答案。

 

基于StarSim的解决方案

上海远宽能源科技有限公司(ModelingTech)利用最新的FPGA技术,开发了1微秒级别的小步长实时仿真平台,实现了任意电力电子拓扑的小步长实时仿真,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,整个系统的方案设计如下图:



 

系统由两个部分组成:右边部分是电力电子实时仿真器,利用远宽能源的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;左边部分是武汉理工大学开发的APF控制器,控制器通过物理接线与仿真器进行控制信号与电压、电流等信号的传输,实现实时的闭环运行。

 

应用成果

通过应用实时仿真技术,武汉理工大学已成功完成了APF控制器的研究,实际系统具体如下图所示,左边白色机箱是电力电子实时仿真器,右边红色框中的控制板是武汉理工大学开发的APF控制器。

 



实验结果如下一共有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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