基于FPGA的弱電網(wǎng)逆變器諧波控制方法

陳 濤，汪淳飛

（杭州世創(chuàng)電子技術(shù)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(fēng)力發(fā)電等新技術(shù)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(wǎng)互聯(lián)的關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能與綜合質(zhì)量將直接關(guān)系到電網(wǎng)供電的品質(zhì)。當(dāng)輸電、配電線路長度大、地區(qū)電網(wǎng)中有大量的絕緣變壓器時，電網(wǎng)容易出現(xiàn)低短路比現(xiàn)象，即呈現(xiàn)弱電網(wǎng)運行狀態(tài)[1]。弱電網(wǎng)的主要特點是阻抗值波動范圍大、電網(wǎng)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(shù)對其進(jìn)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(wǎng)供電或輸電過程中對其電能質(zhì)量造成干擾與負(fù)面影響。根據(jù)現(xiàn)有的大量實踐與研究成果證明，電網(wǎng)阻抗中的阻性成分對電力系統(tǒng)與電網(wǎng)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(wǎng)下逆變器運行產(chǎn)生的諧波進(jìn)行控制處理[2]。現(xiàn)階段，已有較多的技術(shù)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(jìn)行控制的技術(shù)手段與方法，但現(xiàn)有的方法大多在實際應(yīng)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(jìn)現(xiàn)場可編程邏輯門列陣（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），設(shè)計一種針對弱電網(wǎng)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(wǎng)運行異常或供電服務(wù)質(zhì)量不佳的問題，提高電能質(zhì)量，助力我國電力行業(yè)在市場內(nèi)的穩(wěn)定、健康發(fā)展。

1 弱電網(wǎng)逆變器諧波峰值提取

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

在此過程中，根據(jù)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(shù)；S為濾波系數(shù)；K為外界相關(guān)環(huán)境因素影響系數(shù)；P為逆變側(cè)電感值；i為濾波電容值。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)逆變器中電流的開環(huán)傳輸方式進(jìn)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(dǎo)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(jìn)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(wǎng)逆變器諧波峰值提取處理過程；n為逆變器阻尼系數(shù)；L1為振諧比例系數(shù)；L2表示電感比例系數(shù)；A表示諧振頻率。

2 基于FPGA的逆變器開環(huán)與閉環(huán)調(diào)節(jié)

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

在FPGA中插入全局時鐘、復(fù)位參數(shù)、恢復(fù)信號等條件，對閉環(huán)狀態(tài)下的逆變器脈沖系列輸出進(jìn)行主動調(diào)節(jié)[8]。通過開環(huán)、閉環(huán)的模擬與分析，進(jìn)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?zāi)孀兤魇欠衲軌蚋鶕?jù)已有的功能實現(xiàn)幅值、頻率可調(diào)和死區(qū)控制的關(guān)鍵[9]。閉環(huán)模擬是指通過輸入電壓反饋值，檢驗電網(wǎng)中的逆變器能否實時調(diào)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(diào)控系數(shù)；R為反向偏壓；p為正弦輸出電壓。完成檢驗后，根據(jù)可調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)計FPGA在逆變器開環(huán)與閉環(huán)調(diào)節(jié)中的系數(shù)，通過此種方式實現(xiàn)對逆變器運行狀態(tài)的綜合調(diào)節(jié)。

3 基于諧振頻率偏移補(bǔ)償?shù)哪孀兤髦C波控制

完成上述設(shè)計內(nèi)容的基礎(chǔ)上，可采用對諧振頻率偏移的補(bǔ)償，進(jìn)行逆變器諧波的控制[10]。諧振頻率偏移補(bǔ)償值計算公式為

式中：Z為諧振頻率偏移補(bǔ)償值；l為偏移距離；α為截止頻率；Δβ為有源阻尼補(bǔ)償系數(shù)。在此基礎(chǔ)上，考慮到在弱電網(wǎng)條件下，諧振頻率偏移對電網(wǎng)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(shù)。通過下述計算公式進(jìn)行諧波的補(bǔ)償，即

式中：minχ為諧波的最優(yōu)補(bǔ)償值；m為增益函數(shù)；δ為開關(guān)頻率；ε為偏移控制系數(shù)；s為偏離量。通過對諧振頻率偏移的補(bǔ)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(wǎng)逆變器諧波控制方法設(shè)計。

4 對比實驗

為實現(xiàn)對設(shè)計方法在實際應(yīng)用中效果的檢驗，將以某地區(qū)大型供電服務(wù)單位為例進(jìn)行測試。該單位由于電網(wǎng)輸電線路的增加，導(dǎo)致供電服務(wù)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(yán)重影響用戶的用電體驗。因此，根據(jù)相關(guān)工作需求，搭建與電力系統(tǒng)輸電與供電服務(wù)相同的逆變器作業(yè)環(huán)境，建立逆變器輸電結(jié)構(gòu)模型。模型如圖1所示。

圖1 弱電網(wǎng)逆變器模型

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，設(shè)計弱電網(wǎng)逆變器模型中參數(shù)。逆變側(cè)電感值與并網(wǎng)側(cè)電感值均為3 mH，濾波電容值為15 μF，諧振系數(shù)為100，振諧比例系數(shù)為0.15，電感比例系數(shù)為0.45，控制器帶寬為2.95 Mb/s，積分系數(shù)為2.0×103。在電網(wǎng)運行中注入5%的諧波模擬逆變器產(chǎn)生諧波的運行環(huán)境。弱電網(wǎng)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(jié)果具有一定的可比性，引進(jìn)基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的弱電網(wǎng)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(jìn)行控制。控制過程中，使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆變器進(jìn)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(diào)節(jié)算法，對存在諧波的背景噪聲進(jìn)行去除處理，完成處理后即可認(rèn)為完成了對逆變器諧波的控制。

對比2種方法對弱電網(wǎng)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(wǎng)逆變器諧波的控制效果

圖3 本文方法對弱電網(wǎng)逆變器諧波的控制效果

從上述圖2與圖3的測試結(jié)果可以看出，2種方法在實際應(yīng)用中，都可以實現(xiàn)對弱電網(wǎng)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(chǔ)上，對注入背景諧波的電流峰值信號進(jìn)行放大處理，處理后可以發(fā)現(xiàn)，使用本文設(shè)計的方法進(jìn)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(jìn)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(xì)微的諧波干擾。

綜合上述實驗結(jié)果，得出對比實驗結(jié)論：相比基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的弱電網(wǎng)逆變器諧波控制方法，本文設(shè)計的基于FPGA的弱電網(wǎng)逆變器諧波控制方法，在實際應(yīng)用中的效果較好，可以實現(xiàn)對諧波的有效控制。

5 結(jié) 論

本文通過弱電網(wǎng)逆變器諧波峰值提取、逆變器開環(huán)與閉環(huán)調(diào)節(jié)、基于諧振頻率偏移補(bǔ)償?shù)哪孀兤髦C波控制，完成了基于FPGA的弱電網(wǎng)逆變器諧波控制方法設(shè)計。實驗結(jié)果證明了此方法在實際應(yīng)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(wǎng)輸電的穩(wěn)定性與安全性。