基于FPGA的弱電網逆變器諧波控制方法

陳 濤，汪淳飛

（杭州世創(chuàng)電子技術股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引 言

新能源在電力行業(yè)發(fā)展中的介入，太陽能、風力發(fā)電等新技術滲透率的日益提高，電力行業(yè)呈現(xiàn)出了一種全新的發(fā)展趨勢。在此過程中，逆變器作為新能源與電網互聯(lián)的關鍵設備之一，其性能與綜合質量將直接關系到電網供電的品質。當輸電、配電線路長度大、地區(qū)電網中有大量的絕緣變壓器時，電網容易出現(xiàn)低短路比現(xiàn)象，即呈現(xiàn)弱電網運行狀態(tài)[1]。弱電網的主要特點是阻抗值波動范圍大、電網輸電過程中電壓存在大量諧波等。而在此過程中所謂的諧波是指將提取的具有周期變化特征的波信號按照傅里葉級數對其進行劃分與分解處理，大于基頻的波頻分量都可被統(tǒng)稱為諧波。一般條件下，諧波的波次較高，會在電網供電或輸電過程中對其電能質量造成干擾與負面影響。根據現(xiàn)有的大量實踐與研究成果證明，電網阻抗中的阻性成分對電力系統(tǒng)與電網的穩(wěn)定性具有較為重要的影響，因此有必要采取有效的措施，對弱電網下逆變器運行產生的諧波進行控制處理[2]?，F(xiàn)階段，已有較多的技術人員與科研人員在深入此項研究，提出了多種可實現(xiàn)對諧波進行控制的技術手段與方法，但現(xiàn)有的方法大多在實際應用中受到限制，降低了對逆變器諧波的控制效果。

為解決此方面問題，本文引進現(xiàn)場可編程邏輯門列陣（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），設計一種針對弱電網逆變器的諧波全新控制方法，通過此種方式解決由于諧波引起的電網運行異?；蚬╇姺召|量不佳的問題，提高電能質量，助力我國電力行業(yè)在市場內的穩(wěn)定、健康發(fā)展。

1 弱電網逆變器諧波峰值提取

為實現(xiàn)對弱電網逆變器諧波的有效控制，應在設計方法前明確諧波的產生通常集中在逆變器輸出電流的峰值，應在控制前進行弱電網逆變器諧波峰值的提取。為了過濾因橋臂開關引起的副諧波，必須在輸出端安裝一個濾波器，以達到良好的輸出電流品質，避免諧波提取過程受到外界相關環(huán)境因素的影響[3]。

在此過程中，根據逆變器的運行原理，建立一個逆變器等效控制模型，建模過程計算公式為

式中：G為逆變器等效控制模型；C為副諧波函數；S為濾波系數；K為外界相關環(huán)境因素影響系數；P為逆變側電感值；i為濾波電容值。在此基礎上，根據逆變器中電流的開環(huán)傳輸方式進行諧波峰值的采集[4]。采集過程中，考慮到逆變器中的電容電感器和線路寄生電阻之間存在一定的影響，此種影響會導致逆變器共振峰呈現(xiàn)降低趨勢，從而提取行為出現(xiàn)時延[5]。因此，可在不增加逆變器阻尼的情況下，通過控制延時的方式進行逆變器諧波峰值的提取。此過程計算公式為

式中：F為弱電網逆變器諧波峰值提取處理過程；n為逆變器阻尼系數；L1為振諧比例系數；L2表示電感比例系數；A表示諧振頻率。

2 基于FPGA的逆變器開環(huán)與閉環(huán)調節(jié)

使用FPGA對其操作進行配置和編程，使逆變器能夠實現(xiàn)某些特定的功能，并且能夠重復使用[6]。引進FPGA，進行逆變器的開環(huán)與閉環(huán)調節(jié)設計[7]。在此過程中，使用QuartusⅢ8.0FPGA，對弱電網逆變器在運行中的各功能模塊進行統(tǒng)一處理，通過對弱電網逆變器輸出端功能的編輯和分析，初步掌握正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）逆變器的輸出層級。

在FPGA中插入全局時鐘、復位參數、恢復信號等條件，對閉環(huán)狀態(tài)下的逆變器脈沖系列輸出進行主動調節(jié)[8]。通過開環(huán)、閉環(huán)的模擬與分析，進行開環(huán)狀態(tài)下逆變器運行特性的提取。在此過程中，開環(huán)模擬是檢驗逆變器是否能夠根據已有的功能實現(xiàn)幅值、頻率可調和死區(qū)控制的關鍵[9]。閉環(huán)模擬是指通過輸入電壓反饋值，檢驗電網中的逆變器能否實時調整并輸出正弦波。檢驗過程計算公式為

式中：f為逆變器輸出正弦波的檢驗過程；N為幅值調控系數；R為反向偏壓；p為正弦輸出電壓。完成檢驗后，根據可調節(jié)參數，設計FPGA在逆變器開環(huán)與閉環(huán)調節(jié)中的系數，通過此種方式實現(xiàn)對逆變器運行狀態(tài)的綜合調節(jié)。

3 基于諧振頻率偏移補償的逆變器諧波控制

完成上述設計內容的基礎上，可采用對諧振頻率偏移的補償，進行逆變器諧波的控制[10]。諧振頻率偏移補償值計算公式為

式中：Z為諧振頻率偏移補償值；l為偏移距離；α為截止頻率；Δβ為有源阻尼補償系數。在此基礎上，考慮到在弱電網條件下，諧振頻率偏移對電網的穩(wěn)定性具有較為直接的影響，因此，可將最小偏移量作為參照系數。通過下述計算公式進行諧波的補償，即

式中：minχ為諧波的最優(yōu)補償值；m為增益函數；δ為開關頻率；ε為偏移控制系數；s為偏離量。通過對諧振頻率偏移的補償，實現(xiàn)對逆變器諧波的控制。以此種方式，完成基于FPGA的弱電網逆變器諧波控制方法設計。

4 對比實驗

為實現(xiàn)對設計方法在實際應用中效果的檢驗，將以某地區(qū)大型供電服務單位為例進行測試。該單位由于電網輸電線路的增加，導致供電服務過程中的不可控因素增加，從而使輸送的電能中攜帶了大量諧波，嚴重影響用戶的用電體驗。因此，根據相關工作需求，搭建與電力系統(tǒng)輸電與供電服務相同的逆變器作業(yè)環(huán)境，建立逆變器輸電結構模型。模型如圖1所示。

圖1 弱電網逆變器模型

在上述內容的基礎上，設計弱電網逆變器模型中參數。逆變側電感值與并網側電感值均為3 mH，濾波電容值為15 μF，諧振系數為100，振諧比例系數為0.15，電感比例系數為0.45，控制器帶寬為2.95 Mb/s，積分系數為2.0×103。在電網運行中注入5%的諧波模擬逆變器產生諧波的運行環(huán)境。弱電網逆變器在1～4 s屬于穩(wěn)定運行狀態(tài)，在4 s時，對其背景注入諧波，盡管此時電流的變化仍處于一種周期性穩(wěn)定狀態(tài)，在流出電流的峰值上可以顯著看出其存在諧波。

為確保測試結果具有一定的可比性，引進基于BP神經網絡的弱電網逆變器諧波控制方法作為傳統(tǒng)方法，使用傳統(tǒng)方法對注入的諧波進行控制?？刂七^程中，使用BP神經網絡逆變器進行建模，提取逆變器在運行中的無諧波電流，在存在諧波的逆變器中注入二次諧波環(huán)流，通過此種方式，使供電過程中的電壓處于一種相對平衡的狀態(tài)。此外，通過諧波噪聲調節(jié)算法，對存在諧波的背景噪聲進行去除處理，完成處理后即可認為完成了對逆變器諧波的控制。

對比2種方法對弱電網逆變器諧波的控制效果，將其繪制成圖，如圖2與圖3所示。

圖2 傳統(tǒng)方法對弱電網逆變器諧波的控制效果

圖3 本文方法對弱電網逆變器諧波的控制效果

從上述圖2與圖3的測試結果可以看出，2種方法在實際應用中，都可以實現(xiàn)對弱電網逆變器諧波的控制，即在4 s后，逆變器輸出電流的峰值均未出現(xiàn)明顯的諧波。在此基礎上，對注入背景諧波的電流峰值信號進行放大處理，處理后可以發(fā)現(xiàn)，使用本文設計的方法進行逆變器諧波控制，其控制后峰值放大信號的變化較為平滑，無諧波干擾。使用傳統(tǒng)方法進行逆變器諧波控制，其控制后峰值放大信號中仍存在較為細微的諧波干擾。

綜合上述實驗結果，得出對比實驗結論：相比基于BP神經網絡的弱電網逆變器諧波控制方法，本文設計的基于FPGA的弱電網逆變器諧波控制方法，在實際應用中的效果較好，可以實現(xiàn)對諧波的有效控制。

5 結 論

本文通過弱電網逆變器諧波峰值提取、逆變器開環(huán)與閉環(huán)調節(jié)、基于諧振頻率偏移補償的逆變器諧波控制，完成了基于FPGA的弱電網逆變器諧波控制方法設計。實驗結果證明了此方法在實際應用中可以實現(xiàn)對諧波的有效控制，通過此種方式提高電網輸電的穩(wěn)定性與安全性。