SustainableDevelopment可持续发展文章编号:1674-9146渊圆园19冤01原园39原园4
微电网环境下*改进型有源电力滤波器控制研究侯克淅
(许昌学院电气(机电)工程学院,河南
许昌461000)
摘要:为了消除微电网中各种电力电子装置和非线性负载所产生的谐波,调节微电网无功平衡,考虑在微电网中加入有源电力滤波器(。对传统APF装置进行改进,将微电网储能单元并联在APF直流侧,丰富并提高了储能单元APF)的性能。改进型APF装置采用DSP+FPGA芯片组合作为控制核心,实现了全数字实时控制,有效提高了补偿精度和运算能力,通过仿真分析结果验证了设计的正确性和有效性。关键词:微电网;储能单元APF;DSP;FPGA;中图分类号:TM761文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1674-9146.2019.01.039微电网中的光伏逆变器、风电交流-直流-交流
(AC-DC-AC)变换装置等均由电力电子器件组成,给微电网带来了较严重的电能质量问题。有源电力滤波器(ActivePowerFilter,APF)作为谐波治理和无功补偿的“新生代”代表,能够实时跟踪谐波、抑制谐波和补偿无功[1]。
无论微电网处于哪种运行方式,为了提高局部可靠性和稳定性,恰当的谐波抑制是必要的。如果没有有效的谐波控制,则分布式电源高渗透率系统就可能导致有功偏移或无功偏移和振荡[2]。APF用于微电网时,可将微电网储能单元并联在APF直流侧,采用数字信号处理器(DigitalSignalProcess原ing,DSP)+现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)芯片组合作为控制核心,实现数字实时控制,保证装置能够快速检测补偿。1改进型有源电力滤波器工作原理
APF的工作原理见文献[3]。常见的APF直流侧由电容器组成,为提高稳定性,直流侧电容器组可以由微电网储能单元替换,能够达到相同的效果。第40页图1为APF应用于微电网的总体控制逻辑框图。图1中,PCC为微电网与主网的接入点,微电网模型包括风力发电、光伏发电和储能单元等微电源装置。有源电力滤波器包括信号采样、指令运算、控制保护等环节,其中指令运算由DSP完成,驱动与保护部分由FPGA完成。
从硬件成本来讲,用储能单元替换电容器组,在很大程度上降低了有源电力滤波器的成本投入。直流侧加装储能单元还有一个明显的优势,就是这样使得直流侧电压的控制也变得相对简单,大大降低因直流侧电压波动而产生的负面影响[4]。加装储能单元后,储能单元的每次投入都能够对直流侧电容充电,这样对各个电容器电压起到了明显的均衡作用,直流侧电压的安全性得到了明显提高。2改进型APF控制系统设计
改进型APF控制系统应具有既能够补偿谐波、又能够在必要时补偿无功的能力。运用瞬时无功功率理论,将检测到的微电网电流分解,得出有功电流和无功电流,见第40页图2。当微电网无功运行正常时,无功电流Iq处的开关闭合,此时输出电流为基波有功电流和基波无功电流之和;当微电网需要补偿无功功率时,将常闭开关断开,控制回路运算输出的电流仅为基波有功电流。将两种情况下的
[基金项目]许昌学院科研项目(2019YB024)收稿日期:圆园18原07原05曰修回日期:圆园18原08原07
作者简介:侯克淅(1988-),男,河南南阳人,助理实验师,主要从事电力电子装置技术研究,E-mail:753574841@qq.com。
科技创新与生产力2019年1月总第300期039可持续发展SustainableDevelopment主网PCCiSiCHPF风力发电驱动与保护电路燃气轮机双口RAM光伏发电储能单元APF
图1APF应用于微电网的总体控制逻辑框图
外部通信采样信号调理电路控制与保护FPGA谐波计算与电压调节DSPiL负载运算结果与电网侧的检测值进行比较,即可得出所需要补偿的电流或者电压。前者比较后得出的仅为补偿的谐波电流,而后者比较得出的包括谐波电流和无功电流。
UdcrefUdcPI啄ABC/pqIp(常闭)Iq驻usin棕t-cos棕tPLLUSIa_refIaA+-驱动电路驱动电路gupglow
非门图4三角波比较方式的控制逻辑框图
IaIbIcpq/ABCIabc_ref-+-+-+图2改进型APF信号检测的控制逻辑框图
无功检测控制信号驻u的大小由图3给出,当
无功发生变化时,先比较检测出的电压与事先给定的电压以得出差值,再经PI调节器调节后产生一个控制信号,使常闭开关动作。
Uabc-+Uabc_ref
图3无功检测控制信号生成的控制逻辑框图
PI调节器驻u
2.1控制系统的硬件设计
结合上述分析,要求控制系统能同时实现电压信号和电流信号的实时采集和处理,设计采用DSP+FPGA方式进行控制。DSP通过快速运算能够实现算法控制,但由于DSP中的数字信号是基于指令进行运算而产生的脉冲,较难生成高频三角波,因此通过计数器不易生成分辨率较高的PWM脉冲;而FPGA精度高、可靠性高,能够方便地实现逻辑控制和保护[7]。图5为基于DSP与FPGA的APF控制系统。
控制面板单片机双口RAMDSP算法控制器FPGA脉冲及保护开关器件驱动模块跟踪型脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,PWM)控制技术可以采用滞环比较方式,也可采用三角波比较方式[5-6]。在调制环节中,采用滞环比较方式调制法,开关频率的变化会产生脉动电流;而采用三角波比较方式调制法,开关频率等于三角载波频率,脉动电流小,并且输出电压中所含谐波较少。基于上述优势,本文采用三角波比较方式,见图4。
图4中,先把指令电流与补偿电流相减,将信号放大,再与三角波进行比较。放大器A采用PI放大器。这样组成的一个控制系统可以把偏差信号控制为最小。040SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY晕燥援1Jan.圆园19袁栽燥贼葬造晕燥援300A/D图5基于DSP与FPGA的APF控制系统
图5中,DSP主要用于实现谐波电流与谐波电压的采样控制、检测等,FPGA中包含三角波比较、保护单元等。DSP控制部分通过双口随机存取存储器(RandomAccessMemory,RAM)与上位机联系。系统中对DSP及FPGA的资源分配大体相当,充分发挥各自优势,能够显著提高采样频率,提升系统对电能质量的治理效果[8]。
2.2
控制系统的软件设计
图6为控制系统DSP主程序流程图,初始化部分包括系统时钟、中断向量表、通用输入/输出(EVGeneralterface模块、Purpose串行通Input/Output信接口(Serial,GPIOCommunication)、外部中断In、原
A/D后进),入模SCI主块函的)、数初模循始拟环化/。,数初字始转化完换(成Analogue后,开中toDigital断,然,
开始初始化系统时钟初始化SCI初始化中断向量表初始化A/D模块初始化GPI0口开中断初始化外部中断主函数循环初始化EV模块图6DSP主程序流程图
流检DSP测及定时算法器实中现断。是图控7制系为定时统核心器中,断完程成序谐波流程电图,包括数据采集与转换、直流侧电压控制等。
开始中断返回检测端口信号故障?N指数据采样和转换电令压电运流算Y直流侧电压滤波故障报警故障检测直流侧电压调节图7DSP定时器中断程序流程图
集成FPGA既可用原ed电路硬件描述语理言图实(Very-high-speed现设计,又可用integrat超高速原实circuitHardwareDescriptionLanguage,VHDL)GA现主电程设路序计通过流程,二收图者到,结的通过合使用脉冲FPGA效果信号实产会现生更好不6同路。图的开PWM8为关状脉FP态冲原。,3改进型APF控制系统的仿真分析
笔者利用MATLAB软件中的Simulink库,搭建系统线电压为380V/50Hz的仿真模型,主要包括电源模块、负载模块、检测模块和控制模块4个部分。图9为装置投入补偿前后的A相电压波形、电流波形及频谱图。从图9可看出,装置投入补偿前31.98,采24.72%,用快速电流傅里叶变换可得50Hz基波,幅值为得50Hz;基装置畸波投变,入较幅补偿为严值为后重,74.62,采A,用快速相电流A相电傅畸流里变畸叶率变变达换到率降可到3.12%,补偿效果明显改善。
SustainableDevelopment可持续发展开始时钟信号输入系统初始化PWM脉冲生成时钟信号输入死区控制检测端口信号PWM脉冲输出N封锁PWM信号过压、过流、Y结束过热?结束图8FPGA程序流程图
400U3002001000-100-200-300I-40000.040.08t/s
0.120.160.209-a装置投入补偿前的A相电压波形与电流波形
25201510500510152025303540谐波阶次
9-b装置投入补偿前的A相电流频谱图806040200-20-40-60-8000.040.08t/s
0.120.160.209-c
装置投入补偿后的A相电流波形
25201510500510152025303540谐波阶次
9-d装置投入补偿后的A相电流频谱图图9补偿前后A相电压电流波形及频谱图
第42页图10为装置投入过程中系统单相电压波形与电流波形。从图10可看出,在0.04s投入运行后系统波形明显改善;在0.08s时,系统欠功率,
科技创新与生产力2019年1月总第300期041可持续发展SustainableDevelopment通过将有功指令信号加入到总的指令信号中,装置可输出部分有功电流,减小系统功率缺额影响。
4003002001000-100-200-300-4000U证,在该控制方式下,改进型APF对微电网谐波和无功具有良好的补偿特性。
参考文献:[1][2]
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(责任编辑
邸开宇)
I0.040.080.120.160.20[3][4]
t/s
图10装置投入过程中系统单相电压波形与电流波形
结论
通过在微电网中加入APF,消除微电网谐波并调节无功。对传统APF装置进行改进,将微电网储能单元并联在APF直流侧,丰富并提高了储能单元的性能。改进型APF装置采用DSP+FPGA芯片组合作为控制核心,实现了全数字实时控制,有效提高了补偿精度和运算能力。经过仿真结果验
4
ResearchonImprovedActivePowerFilterControlUnderMicrogrid
Environment
HOUKe-xi
(SchoolofElectricalEngineeringandMechano-ElectronicEngineering,XuchangUniversity,Xuchang461000China)Abstract:Inordertoeliminateharmonicsgeneratedbyvariouspowerelectronicdevicesandnonlinearloadsinmicrogridandtoadjustreactivepowerbalanceinmicrogrid,activepowerfilter(APF)isconsidered.ByimprovingthetraditionalAPFde-vice,
themicrogridenergystorageunitisparallelconnectedtotheDCsideoftheAPF,
whichenrichesandimprovesthe
Thecor-performanceoftheenergystorageunit.realizesthefulldigitalreal-timecontrol,
TheimprovedAPFdeviceusesDSP+FPGAchipcombinationasthecontrolcore,andeffectivelyimprovesthecompensationaccuracyandoperationability.
rectnessandvalidityofthedesignareverifiedbythesimulationresults.Keywords:microgrid;APF;DSP;FPGA;energystorageunit(上接第38页)
ApplicationofGNSSinEngineeringFieldLeveling
HONGYa-lan
(AnhuiUniversityofScienceandTechnology,Huainan232001China)
Abstract:GNSStechnologyisakindofreal-timedynamicpositioningtechnology.Withtheprogressofsocialeconomyandtherapiddevelopmentofscienceandtechnology,GNSStechnologyhasbeenappliedinvariousindustryfields,especiallyinearthworklevelingmeasurementofengineeringconstruction.Itcancarryontheearthworkcalculation,andgreatlyimproveworkefficiency.ThispaperfirstlyexpoundsthestatusandtheworkingprincipleofGNSStechnology,andthenanalyzesthemainstepsandmethodsofGNSSmeasurementtechnologyappliedtofieldleveling,andtheapplicationisdiscussed.GNSStechnologyhasthecharacteristicsofoperability,simplicity,highprecisionandsoon,thereisstillmuchroomforimprove-mentinengineeringapplication.
Keywords:GNSStechnology;siteformation;engineeringconstruction
042SCI-TECHINNOVATION&PRODUCTIVITY晕燥援1Jan.圆园19袁栽燥贼葬造晕燥援300