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EasyGo FPGA Coder高速控制實例分享 ——基于有源阻尼控制的LCL濾波三相逆變器半實物仿真測試

森木磊石 ? 2022-05-30 11:12 ? 次閱讀

LCL構成的三階濾波器具有更好的高次諧波衰減能力,可以在總電感值比L型濾波器電感值小很多的條件下,實現相同的濾波效果。但是LCL濾波器本身存在諧振問題,為提高穩定性,一般會考慮加入虛擬阻尼控制的方式,通過疊加補償電流反饋來達到系統穩定控制的效果。

離線模型如下所示:

poYBAGKUMgqAKkjTAAC-iAdLWBg537.png

離線仿真結果:

如果不采用補償算法,LC之間會發生振蕩,而加入了補償算法可以有效抑制振蕩,保持系統的穩定性。為了更好的模擬實際情況,我們采用半實物仿真的方式來進行驗證。

半實物仿真驗證:

半實物仿真驗證的時候,我們將主電路系統放入EasyGoNetBox電力電子仿真器中運行,仿真步長設置為1e-6,即1us實時仿真,將控制系統放入PXIBox中,控制模型運行在10k,即1e-4步長運行。結果發現,即使加入補償算法,系統電流還是會振蕩發散。

poYBAGKUMg2AVnmqAAlgd37CMe8351.png

分析原因:

在真實系統中,實物控制器首先通過硬件采集,然后傳到運算單元計算,最后輸出結果來發出指令,整個過程會有一定的延遲。因為采用了補償算法,所以可能會由于補償的時延導致系統不穩定。

poYBAGKUMgqAQUFwAAArNRAwcAE379.png

因為ADC的更新率,PWM更新率都非常快,一般只有幾百ns,最多1-2us的延遲(具體根據實際PWM的更新率以及ADC的更新率可計算出),相對于模型實時計算的周期Ts_Control要小很多,所以大部分的實際系統的時延是由于控制器的控制周期帶來的,考慮到以上幾個部分存在并行同步的運行,所以時延可能會在1-2個Ts_Control。

原因離線分析:

為了驗證是否是因為時延導致算法運行不合理,我們在離線仿真程序中模擬實際控制系統的時延因素,時延選擇為2個Ts_Control延遲。同時調整不同的控制周期并進行仿真對比:

pYYBAGKUMgqAZH2sAABS-fwnndA597.png
  1. 控制速率200k,delay大約在1e-5s,kp=20,ki=100
poYBAGKUMgqAAYiUAACKS4PtUxo650.png

poYBAGKUMgqAdcrdAABo5AevVt4953.png
  1. 控制速率50k,delay大約在4e-5s,kp=20,ki=100
pYYBAGKUMgqAL9lQAACn7IIYPng809.pngpYYBAGKUMguABdOKAACP8qjrp5A497.png

  1. 控制速率20k,delay大約在1e-4s,kp=5,ki=40
pYYBAGKUMguAMSeNAACVHaFApyE894.png

控制速率20k,delay大約在1e-4s,kp=20,ki=100(調整PI,有助于改善波形,但是還是會振蕩。)

poYBAGKUMguAQR_WAACI0sgN72U399.png
  1. 10k,delay大約在2e-4s,kp=5,ki=40
pYYBAGKUMguAH2gtAABp1e6Dra0577.png

初步結論:

對于此系統,確實過大的時延會帶來影響,所以控制速率越快,實際系統的延遲越小,控制的穩定性越好。從離線仿真效果來看,要忽略時延帶來的影響,需要控制速率至少要達到50k,甚至200k的控制速率,這種控制速率用傳統的實時CPU運行方式是無法達到的。EasyGoFPGA Coder技術可以非常簡單將模型運行在FPGA上,輕松完成200k的實時控制。

pYYBAGKUMgyAXzn2AAFOBBiUudo473.png

實際運行的結果如下(錄波波形):

不加補償算法:

pYYBAGKUMguALUTZAABgj4FRlZg812.png

加補償算法:

poYBAGKUMguAUuPDAABmVmLr_bY412.png
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