基于FPGA的三电平APF谐波分频控制
发布时间：2021-04-09 07:32
针对传统串行执行方式存在可补偿谐波次数受限、补偿效果不佳等问题,研究基于现场可编程门阵列的有源电力滤波器谐波分频控制的实现。采用现场可编程门阵列作为控制系统的主控制器完成控制算法,可以显著提高计算频率,减小计算延时,改善控制系统实时性能,在现场可编程门阵列内构建并实现的谐波同步旋转坐标系下的谐波电流分频控制策略计算频率最高可达77 kHz。构建了三电平有源电力滤波器数字控制系统并在样机上进行了实验,实验结果验证了提出的现场可编程门阵列全数字谐波电流分频控制方法的正确性。
【文章来源】：电气传动. 2020,50(05)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
T型三电平APF拓扑结构
FPGA中谐波电流的控制过程如图2所示。图2中，iha,ihb,ihc为负载电流iLa,iLb,iLc与APF输出电流ica,icb,icc的差值，ihdn＿dq1,ihqn＿dq1为n次补偿电流在基波旋转坐标系下的指令，坐标变换所需的相位信息由综合查表模块提供。图2中数据格式借鉴了Verilog语言中的表达方式，如16"b表示了该数据为16位2进制数。实现图2的控制过程需要在FPGA内设计数字低通滤波器来提取电流信号变换到dqn坐标系后包含的直流信号。IIR型低通滤波器的实现可以分为直接Ⅰ型、直接Ⅱ型。由于数字低通滤波器存在各项非整数系数，FPGA内无法直接进行计算，因此要对系数进行量化，将其转换为在FP-GA中可以实现计算的整数。相比于直接Ⅰ型结构，直接Ⅱ型结构需要增加一步对中间移位寄存器的数据截断，此时的截断误差经叠加后会进一步造成计算结果的偏移，在复用硬件乘法器的设计结构下，直接Ⅱ型结构若想实现相同精度的滤波效果，在运算过程中需要采用比直接Ⅰ型结构更多的运算位数。考虑到资源占用问题，在FP-GA中的谐波电流控制过程采用级联的直接Ⅰ型结构。
基于上述分析，在FPGA内实现的谐波分频补偿控制策略框图如图3所示。控制策略包含一个基波控制环和一组谐波控制环。基波控制环主要负责维持直流侧电压恒定；多谐波控制环将负载电流与APF输出的补偿电流做差后进行上述坐标变换，并利用设计的级联直接Ⅰ型结构低通滤波器滤除交流量后，将该值作为误差信号送入PI控制器，PI控制器输出对应的电流指令值。将该指令按上述方法进行电流指令综合及解耦，最后将基波dq坐标系下的电流指令送入空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation,SVPWM）模块。针对图3，需要分别对每次谐波进行提取计算和控制，若采用串行执行指令方式的主控制器，控制性能会受到影响。FPGA本身特有的硬件并行架构可以同时对每次谐波进行提取计算和控制，补偿实时性和补偿效果都将大大改善，进一步满足APF对快速性、灵活性的需求。执行在FPGA内构建的谐波电流分频控制策略，各模块串并行安排与所需执行时间如图4所示。由图4可知，各次谐波电流的控制、三角函数查表操作与直流母线电压控制分别并行执行，整个系统由启动采样至最终调制完成仅需约13μs，即实现完整的谐波电流分频控制策略计算频率最高可达77 kHz。在该FPGA设计架构下，只需并行增加指定次谐波电流控制，在综合查表模块中增加查表状态，并根据增加的补偿谐波数目在电流指令综合模块中新增对应的加法计算，即可提高系统可补偿谐波的次数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于静止坐标系的改进型APF分频电流控制策略[J]. 周京华,张荣,章小卫,陈亚爱. 电气传动. 2018(11)
[2]T型三电平APF电流跟踪控制策略研究[J]. 张广阔,郝怡鹏,艾冰,周皓. 电力电子技术. 2018(09)
[3]有源电力滤波器改进无差拍-重复控制策略[J]. 梁营玉,刘建政,李治艳. 电工技术学报. 2018(19)
[4]基于FPGA的模块化通用型电力电子控制平台[J]. 牟昱东,张建文,朱淼,蔡旭. 电力电子技术. 2016(08)
[5]基于同步旋转坐标系的有源电力滤波器控制延时动态预测补偿策略[J]. 许胜,费树岷,赵剑锋,黄允凯. 电工技术学报. 2016(12)
[6]多同步旋转坐标系下指定次谐波电流控制[J]. 张树全,戴珂,谢斌,余蜜,康勇. 中国电机工程学报. 2010(03)
硕士论文
[1]基于FPGA的T型三电平有源电力滤波器装置研制[D]. 张新雷.北方工业大学 2019
本文编号：3127206
【文章来源】：电气传动. 2020,50(05)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
T型三电平APF拓扑结构
FPGA中谐波电流的控制过程如图2所示。图2中，iha,ihb,ihc为负载电流iLa,iLb,iLc与APF输出电流ica,icb,icc的差值，ihdn＿dq1,ihqn＿dq1为n次补偿电流在基波旋转坐标系下的指令，坐标变换所需的相位信息由综合查表模块提供。图2中数据格式借鉴了Verilog语言中的表达方式，如16"b表示了该数据为16位2进制数。实现图2的控制过程需要在FPGA内设计数字低通滤波器来提取电流信号变换到dqn坐标系后包含的直流信号。IIR型低通滤波器的实现可以分为直接Ⅰ型、直接Ⅱ型。由于数字低通滤波器存在各项非整数系数，FPGA内无法直接进行计算，因此要对系数进行量化，将其转换为在FP-GA中可以实现计算的整数。相比于直接Ⅰ型结构，直接Ⅱ型结构需要增加一步对中间移位寄存器的数据截断，此时的截断误差经叠加后会进一步造成计算结果的偏移，在复用硬件乘法器的设计结构下，直接Ⅱ型结构若想实现相同精度的滤波效果，在运算过程中需要采用比直接Ⅰ型结构更多的运算位数。考虑到资源占用问题，在FP-GA中的谐波电流控制过程采用级联的直接Ⅰ型结构。
基于上述分析，在FPGA内实现的谐波分频补偿控制策略框图如图3所示。控制策略包含一个基波控制环和一组谐波控制环。基波控制环主要负责维持直流侧电压恒定；多谐波控制环将负载电流与APF输出的补偿电流做差后进行上述坐标变换，并利用设计的级联直接Ⅰ型结构低通滤波器滤除交流量后，将该值作为误差信号送入PI控制器，PI控制器输出对应的电流指令值。将该指令按上述方法进行电流指令综合及解耦，最后将基波dq坐标系下的电流指令送入空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation,SVPWM）模块。针对图3，需要分别对每次谐波进行提取计算和控制，若采用串行执行指令方式的主控制器，控制性能会受到影响。FPGA本身特有的硬件并行架构可以同时对每次谐波进行提取计算和控制，补偿实时性和补偿效果都将大大改善，进一步满足APF对快速性、灵活性的需求。执行在FPGA内构建的谐波电流分频控制策略，各模块串并行安排与所需执行时间如图4所示。由图4可知，各次谐波电流的控制、三角函数查表操作与直流母线电压控制分别并行执行，整个系统由启动采样至最终调制完成仅需约13μs，即实现完整的谐波电流分频控制策略计算频率最高可达77 kHz。在该FPGA设计架构下，只需并行增加指定次谐波电流控制，在综合查表模块中增加查表状态，并根据增加的补偿谐波数目在电流指令综合模块中新增对应的加法计算，即可提高系统可补偿谐波的次数。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于静止坐标系的改进型APF分频电流控制策略[J]. 周京华,张荣,章小卫,陈亚爱. 电气传动. 2018(11)
[2]T型三电平APF电流跟踪控制策略研究[J]. 张广阔,郝怡鹏,艾冰,周皓. 电力电子技术. 2018(09)
[3]有源电力滤波器改进无差拍-重复控制策略[J]. 梁营玉,刘建政,李治艳. 电工技术学报. 2018(19)
[4]基于FPGA的模块化通用型电力电子控制平台[J]. 牟昱东,张建文,朱淼,蔡旭. 电力电子技术. 2016(08)
[5]基于同步旋转坐标系的有源电力滤波器控制延时动态预测补偿策略[J]. 许胜,费树岷,赵剑锋,黄允凯. 电工技术学报. 2016(12)
[6]多同步旋转坐标系下指定次谐波电流控制[J]. 张树全,戴珂,谢斌,余蜜,康勇. 中国电机工程学报. 2010(03)
硕士论文
[1]基于FPGA的T型三电平有源电力滤波器装置研制[D]. 张新雷.北方工业大学 2019
本文编号：3127206
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