基于Matlab自動代碼生成的APF研究

郭飛亞， 尹太元

(中原工學院， 鄭州 450007)

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基于Matlab自動代碼生成的APF研究

郭飛亞， 尹太元

(中原工學院， 鄭州 450007)

摘要：針對傳統(tǒng)有源電力濾波器(APF)開發(fā)周期長、系統(tǒng)算法設(shè)計與硬件實現(xiàn)脫節(jié)的弊病，提出了基于Matlab自動代碼生成的有源電力濾波器開發(fā)方法。將Matlab/RTW工具與Simulink相結(jié)合，在建立APF數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，采用PI控制加重復控制策略，搭建Simulink仿真模型，從Simulink模型自動生成代碼，并自動建立可實時運行的程序。對比仿真與實驗波形，驗證了基于Matlab自動代碼生成的APF開發(fā)方案的可行性與高效性。

關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；自動代碼生成；重復控制

有源電力濾波器(APF)是一種新型的抑制諧波與補償無功功率的電力電子裝置,可以補償頻率和幅值時變的諧波分量和無功分量，具有廣泛的應(yīng)用前景。APF的傳統(tǒng)開發(fā)方法,首先采用Simulink對控制算法進行仿真，證明算法的控制參數(shù)無誤后進行手寫代碼編寫，代碼編寫完畢后在硬件平臺上進行實驗,開發(fā)周期長，效率低，易出錯，且成本較高。

基于Matlab自動代碼生成的有源電力濾波器采用Matlab自動代碼生成技術(shù)(RTW實時代碼生成工具箱)，將設(shè)計、仿真、編程和優(yōu)化集中到一起開發(fā)，克服了傳統(tǒng)開發(fā)方式中控制算法與硬件實現(xiàn)相分離的弊病，可實現(xiàn)仿真與實際相對應(yīng)，縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間。

文獻[1]提出基于PI控制的APF研發(fā)方法，但是，常規(guī)PI控制下的APF電流閉環(huán)傳遞函數(shù)中存在一個周期性的干擾信號,影響系統(tǒng)跟蹤控制的實時性。文獻[2]提出了重復控制策略，但是使用的是傳統(tǒng)手動編寫代碼方法。文獻[3]闡述了用Matlab完成自動代碼生成的方法，但是并未給出研發(fā)實例，沒有清晰描述仿真實現(xiàn)到代碼生成的具體過程。針對以上問題，本文在建立APF數(shù)學模型的基礎(chǔ)上，采用PI控制加重復控制策略，推導了APF控制方法，詳細介紹了控制器參數(shù)的設(shè)計過程，以及 Matlab仿真與自動代碼生成的具體實現(xiàn)過程，利用Matlab自動代碼生成方法完成了APF樣機的開發(fā)。仿真與實驗證明，該方法可以縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高研發(fā)質(zhì)量。

1自動代碼生成流程

圖1為基于Matlab/RTW自動代碼生成的程序流程。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，結(jié)合實際硬件參數(shù)，首先在Matlab平臺下搭建系統(tǒng)模型，在Simulink中對算法進行仿真驗證，并設(shè)計控制器，在仿真的過程中反復修改參數(shù)，使仿真結(jié)果滿足控制性能的指標要求；然后，利用Target for TI C2000工具箱中的嵌入式控制模塊，搭建基于數(shù)字信號處理芯片(DSP)的相應(yīng)模塊框圖，再將該模塊框圖生成面向TI編輯器的C語言代碼，并結(jié)合CCS軟件集成開發(fā)環(huán)境，完成代碼編譯，生成DSP可以執(zhí)行的機器碼，最后下載到DSP目標板上運行，完成系統(tǒng)的開發(fā)。

圖1　自動代碼生成流程圖

2硬件結(jié)構(gòu)與軟件算法

2.1APF主電路

APF的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。這里采用的是電壓橋式電路結(jié)構(gòu)，它主要由主電路、檢測調(diào)理電路、控制電路、光電隔離電路和驅(qū)動電路組成。主電路包括直流側(cè)電容、變流裝置和輸出濾波電路。檢測調(diào)理電路包括對直流電壓、負載電流、APF輸出電流和電網(wǎng)電壓的檢測調(diào)理裝置?？刂齐娐凡捎靡詳?shù)字芯片DSP為核心的開發(fā)板。

圖2　有源電力濾波器系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

APF的工作過程主要是對APF輸入輸出電流、電網(wǎng)電壓、直流側(cè)電容電壓進行檢測。檢測信號經(jīng)調(diào)理電路送入控制電路進行運算處理，產(chǎn)生的PWM波信號經(jīng)光電隔離電路和驅(qū)動電路輸入變流裝置IGBT的柵極和發(fā)射極，用來控制IGBT的導通和關(guān)斷，從而產(chǎn)生諧波補償信號。

2.2系統(tǒng)模型及控制策略

三相系統(tǒng)主電路與單相結(jié)構(gòu)類似，本文以單相回路為例來建立APF系統(tǒng)模型。單相APF原理如圖3所示。圖3中：交流側(cè)為電感濾波；直流側(cè)電容為逆變輸出提供電壓支撐，通過電壓環(huán)穩(wěn)定控制直流側(cè)電容電壓;us、ua分別為電網(wǎng)電壓和逆變器輸出電壓;ia為逆變器輸出電流;La為濾波電感;Ra為逆變器等效電阻，逆變器和線路損耗也折算在Ra中[4]。

圖3　單相APF原理圖

根據(jù)系統(tǒng)原理列出回路方程，可得到控制對象的數(shù)學模型：

基于該數(shù)學模型建立的裝置控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　APF單回路控制系統(tǒng)模型

基于內(nèi)模原理的重復控制器對周期性擾動的抑制效果顯著,它采用與瞬時值控制相結(jié)合的復合控制手段，可以獲得滿意的輸出電流波形控制效果。本樣機以提高APF系統(tǒng)交流信號跟蹤精度以及諧波抑制能力為目的，引入PI內(nèi)環(huán)控制加重復控制外環(huán)的雙環(huán)控制策略，采用PI保證系統(tǒng)和重復控制裝置來修正內(nèi)環(huán)跟蹤誤差。

由于系統(tǒng)開關(guān)頻率較高，可以把產(chǎn)生PWM波的逆變單元看作一個比例環(huán)節(jié)K1。為了提高裝置的補償精度和抵抗擾動能力，可將電網(wǎng)電壓當作外部擾動處理，并設(shè)置前饋環(huán)節(jié)抵消其影響。

控制器采用PI控制內(nèi)環(huán)加重復控制外環(huán)的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)。假設(shè)逆變單元等效比例環(huán)節(jié)K1=1，考慮前饋環(huán)節(jié)后，電流環(huán)等效控制結(jié)構(gòu)如圖5所示。Gs(z)為系統(tǒng)z域的傳遞函數(shù)。重復控制器包括內(nèi)模發(fā)生器、基波周期延時和控制補償環(huán)節(jié)。在電流的PI控制內(nèi)環(huán)上設(shè)置滯后環(huán)節(jié)，用來抵消采樣及計算延時的影響。

圖5　電流環(huán)等效控制框圖

3APF系統(tǒng)仿真及實驗

本文開發(fā)出一臺額定容量為24 kVA的有源電力濾波器(見圖6)。其電網(wǎng)額定電壓為380 V，電網(wǎng)每相額定電流為20 A，直流側(cè)電壓為750 V，功率單元采用英飛凌FF300R12KT4型IGBT全控器件，直流側(cè)電容為7.2 mF，交流側(cè)電感為1.5 mH，數(shù)字控制電路以TMS320F28335型DSP為核心。

圖6　APF樣機平臺

3.1APF系統(tǒng)仿真

根據(jù)上述硬件參數(shù)及控制算法搭建的APF仿真模型如圖7所示。

圖7　APF仿真模型

在圖7中，硬件結(jié)構(gòu)1及硬件結(jié)構(gòu)2為有源電力濾波器的必要硬件結(jié)構(gòu)。其鎖相環(huán)部分實現(xiàn)檢測電網(wǎng)電壓相位的功能；數(shù)據(jù)預處理部分對采集的數(shù)據(jù)進行必要的運算及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換；控制算法部分實現(xiàn)諧波電流檢測及控制策略；模擬AD采集部分實現(xiàn)對直流側(cè)電壓及交流側(cè)電流的檢測，且其包含用于DSP芯片AD采集的代碼生成模塊28x ADC;C28x PWM模塊用于模擬DSP28335內(nèi)部的PWM生成模塊；F28335 eZdsp的功能是配置仿真模型特定的IDE、工具鏈、硬件板卡和處理器，APF樣機采用的是DSP28335芯片；powergui模塊是Matab對于SimPowerSystems的模型環(huán)境塊，設(shè)置采樣時間為50 μs。

3.2自動代碼生成過程

根據(jù)所建立的仿真模型搭建能夠產(chǎn)生實時代碼的控制模型，刪除仿真模型中的硬件部分，只保留控制算法等軟件部分，以及AD采集和PWM生成模塊。實時代碼生成控制模型如圖8所示。

圖8　實時代碼生成控制模型

利用搭建好的控制模型生成實時代碼。首先，將實際硬件連接好，即將DSP28335目標開發(fā)板與仿真器SEED-XDS510PLUS連接，并將仿真器與電腦的USB口連接。仿真器與電腦的連接需要使用CCS編譯軟件(本文使用的是CCS 3.3)。然后，在搭建好的控制模型中，點擊Matlab菜單欄Tools-Code Generation-Build model。最后，Matlab自動識別并啟動CCS 3.3，進行代碼的生成和編譯，并將代碼燒寫到DSP28335板卡中[5-6]。

3.3仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

圖9展示的是仿真中APF諧波治理前后的波形。圖中，上面為a相諧波治理后的電流波形；下面為a相諧波治理前的電流波形。諧波治理后的電流有效值為20 A，THD由治理前的48%下降為3.2%。

圖9　a相電流濾波前后對比

仿真結(jié)果顯示，應(yīng)用PI控制加重復控制的APF系統(tǒng)，可以治理電網(wǎng)中的諧波電流，治理后的電流正弦度好，THD較低。這說明該控制策略及控制參數(shù)合適。

圖10是用四通道電能質(zhì)量分析儀測量的a相電流諧波治理前后的波形對比。其中：處于最上面的第一個通道的波形為APF發(fā)出的補償諧波；第二個通道的波形為治理前的a相電流波形，含有大量諧波，THD為35%；第三個通道的波形為a相電流經(jīng)諧波治理后的波形，它的正弦度好，諧波含量低，THD為3.07%。

由于采用了Matlab直接代碼生成技術(shù)，仿真與實驗波形對應(yīng)度很好，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果基本一致。這驗證了該開發(fā)方法的可靠性以及該控制策略的可行性。

圖10　a相電流補償前后對比

4結(jié)語

本文提出了基于Matlab自動代碼生成的有源電力濾波器(APF)系統(tǒng)開發(fā)方法,采用PI控制加重復控制方案，完成了樣機系統(tǒng)的仿真及實驗驗證工作，并詳細介紹了自動代碼生成的流程及方法，具體介紹了系統(tǒng)仿真與自動代碼生成的實現(xiàn)過程。仿真及實驗驗證表明，該開發(fā)方法實現(xiàn)了控制策略仿真與硬件實現(xiàn)的緊密結(jié)合，仿真與硬件實現(xiàn)對應(yīng)度好，免去了手動編寫代碼的過程，開發(fā)周期短，可靠性高，對其他電力電子系統(tǒng)的開發(fā)具有借鑒意義。

參考文獻：

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(責任編輯：王長通)

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

中圖分類號：TM46

文獻標志碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2016.01.021

文章編號：1671-6906(2016)01-0088-04

作者簡介：郭飛亞(1985-)，男，河南鶴壁人，主要研究方向為電氣工程。

收稿日期：2015-05-10