摘要: 用于電能計量的諧波" title="諧波">諧波電壓源" title="電壓源">電壓源要求具有很強的諧波合成能力，因此，對采樣頻率要求較高。目前，絕大多數諧波電壓源裝置采用DSP 作為控制芯片。DSP 雖然有著很強的信號處理能力，但其采樣率不高，不能滿足電能計量用諧波電壓源采樣精度的要求。對此，提出了將FPGA" title="FPGA">FPGA 應用于諧波電壓源的研究中，采用基于SPWM 的雙閉環PI控制策略，在VHS-ADC 高速信號處理平臺上搭建離散域" title="離散域">離散域控制模型并進行仿真。仿真結果表明，輸出波形穩定，具有較小的畸變率，說明了基于FPGA 進行諧波電壓源研究的可行性。
0 引言
近年來，由于電力電子裝置等非線性負荷的大量增加，電力系統的諧波污染越來越嚴重，嚴重地影響了電能計量的準確性和合理性，由此導致的糾紛也屢見不鮮。因此，研究用于電能計量的諧波電壓源裝置，對電能計量有著非常重要的意義。
要求用于電能計量的諧波電壓源能模擬21次內任意諧波的疊加，因此對采樣頻率要求較高。
目前，絕大多數諧波電壓源裝置采用開關功率放大器作為主電路，利用數字信號處理器(DigitalSignal Processing，DSP) 作為控制芯片。電力電子模型屬于典型的高度并行模型，沒有復雜的控制過程，但對采樣率要求很高。開關器件的開關頻率可達數百kHz，開關周期為μs 量級，實時系統要能穩定工作，其采樣周期應小于開關周期的1 /10，DSP 則就有些顯得力不從心了。
現場可編程門陣列(Field Programrnable GateArray，FPGA)采樣率很高，適用于高速度要求的并行運算，運算過程簡單。采用FPGA 執行運算，不僅能提高采樣精度，還能節約成本。近年來，隨著技術進步及市場需求量的增加，FPGA 產品單位貨幣所買到的MAC(乘法/累加運算)數比傳統的DSP 還要高。200 萬門FPGA 可達到1 280 億/s MAC 的性能，比目前最快的DSP 性能還高一個量級，有取代DSP 之勢。因此，將FPGA應用于諧波電壓源的研究中，不失為一種好的思路。
VHS-ADC 是基于Matlab /Simulink" title="Simulink">Simulink 和FPGA的高速數字信號處理平臺，采用Virtex-Ⅱ系列FPGA，內部擁有豐富的門資源與硬件乘法器，工作頻率可達420 MHz，高速A/D 通道采樣率可達105 MS /s，高速D/A 通道采樣率可達125 MS /s。VHS-ADC 實現了與Simulink 的無縫連接。
本文在分析系統原理和設計系統參數基礎上，在Simulink 中搭建了諧波電壓源的連續域模型，并將其離散化，基于VHS-ADC 平臺搭建了離散域仿真模型。
1 主電路結構和控制策略
1. 1 諧波電壓源的主電路結構
諧波電壓源裝置可模擬電網的各種現場情況，每相的諧波含量各不相同，因此主電路逆變部分采用3 個單相H 橋，每個單相H 橋由4 個開關管IGBT 組成。諧波電壓源裝置的主電路圖如圖1 所示。其中，每個H 橋可以等效為一個可控電壓源，為系統提供頻率、幅值、相位可調的諧波電壓。逆變部分由4 個開關管IGBT 組成，逆變部分的直流側電壓由整流部分提供。整流部分由降壓變壓器和三相不可控整流電路組成，三相市電由降壓變壓器降壓隔離，再經三相不可控整流，得到逆變電路所需的穩定直流電壓。出口處的電感電容構成單調濾波器，用于濾除載波和高次諧波。
圖1 諧波電壓源裝置主電路。
1. 2 諧波電壓源的控制策略
雙閉環PI 調節的控制器簡單，具有一定的魯棒性，在工程控制領域得以廣泛應用。因此，本文采用基于SPWM 的雙閉環PI 控制策略，雙閉環PI 控制的原理框圖如圖2 所示。圖2 中，外環電壓以理想的正弦波作為參考電壓，輸出電壓與參考電壓比較后經PI 調節作為電流內環的參考值，該電流參考值與反饋電流比較，再經PI 調節后與PWM 控制器中的三角波比較，產生PWM 信號驅動逆變器。
圖2 電壓、電流雙閉環PI 控制原理框圖。
本文引入負載電壓瞬時值和濾波電容電流瞬時值作為反饋信號，根據實際值和期望值的偏差來實時控制輸出電壓波形，保證輸出電壓波形的精度，消除各種非正弦因素和擾動對輸出電壓的影響。由于輸出濾波電容電流是對逆變器輸出電壓的微分，十分微小的電壓變化即可引起電容電流的較大波動。因此，電容電流的引入更能使系統得到良好的動態性能。
2 基于VHS-ADC 平臺的系統建模
基于FPGA 的VHS-ADC 高速信號處理平臺，其模型庫具有豐富的數字信號處理模型，Simulink自帶的模型庫不能編譯成FPGA 代碼，而Xilink模型庫是基于離散信號z 域的模型。因此，需要構建z 域電力電子仿真模型。
基于z 域的控制電路VHS-ADC 模型如圖3所示。該模型主要由PWM 發生器、PI 控制模塊、限幅模塊和死區模塊組成。三角波用Counter 計數器產生。圖3 中的Gateway in 為數據轉化模塊，將s 域信號轉化為z 域信號。
圖3 控制電路VHS-ADC 模型。
電壓外環PI 環節可表示為：
式中u(t)———控制量
e(t)———系統的控制偏差
Ti———積分時間
Kp———比例系數
為了搭建離散域模型，在近似條件下得離散化方程為：
式中T———采樣周期
k———采樣序號，k = 1，2，…
e(k)———PI 環節的輸入信號
Ki = Kp /Ti———積分系數
將式(2) 與uk － 1的表達式進行比較，則可得到第k 次采樣時刻的離散方程:
根據PI 的離散方程，可構建VHS-ADC 模型。
以電壓外環PI 為例，其模型如圖4 所示。CMult為乘法器模塊，大小等于采樣時間T;Convert 為數據轉化模塊，將輸入信號轉化為合理的數據格式。數據格式由數據位數和小數位數確定，在保證仿真精度的前提下，盡量減小數據位數，節約硬件資源。
圖4 電壓外環PI 模型。
利用3 個加法器和1 個減法器，可實現限幅環節。減法器運算結果為負時，輸出為0;運算結果為正時，輸出為正常值。Constant1 和Constant2分別設置限幅模塊的上、下限，限幅環節的模型如圖5 所示。
圖5 限幅環節模型。
利用延遲模塊和邏輯模塊，可設置逆變器死區時間。輸入信號經過Delay 模塊，被延遲4 個采樣周期時間，再與原信號進行邏輯與運算，就可得到帶有死區時間的PWM 信號，被Delay 模塊延遲的時間就是設置的死區時間。死區時間模型如圖6 所示。
圖6 死區時間的VHS-ADC 模型。
依靠平臺提供的co-simulink 接口，將搭建的離散域控制模型進行編譯，并自動生成代碼，下載到FPGA，生成一個bit 流文件，將含有bit 文件的協議同仿真模塊與諧波電壓源的主電路連接。當在Simulink 中進行仿真時，FPGA 上的實時運算結果返回到Simulink 環境中，提高了仿真速度。
3 仿真結果
利用Matlab /Simulink 軟件和VHS-ADC 仿真平臺，建立完整的諧波電壓源仿真模型。仿真參數:輸入電壓為Uu = Uv = Uw = 220 V;濾波電感L = 0. 05 mH，濾波電容C = 100 μF。電壓環PI 參數:比例系數Kp = 13，Ki = 0. 4;電流環PI 參數：比例系數Kp = 15，Ki = 0. 2，負載R = 30 Ω;采樣時間為100 ns，單相額定輸出功率為3 kVA。
穩態下，諧波電壓源輸出的單相基波波形如圖7 所示。因為三相不可控整流提供的直流電壓需要約0. 01 s 才能達到穩定，所以諧波電壓源輸出波形在0. 01 s 之前是逐漸增大的，當直流電壓穩定后，仿真波形幾乎與期望波形重合。
為了驗證裝置的諧波合成能力，將30 V 4 次諧波疊加到100 V 基波上，如圖8 所示。疊加后的波形在0. 01 s 前逐漸增大，在0. 01 s 后幾乎與期望波形重疊;將所得波形進行傅里葉分析，4 次諧波含量為基波的30%，其頻譜分析圖如圖9 所示。
圖7 基波輸出波形與期望波形的對比。
圖8 疊加信號輸出波形與期望波形的對比。
圖9 疊加波形的頻譜圖。
表1 為輸出波形為單次諧波時，總諧波畸變率(THD)的大小。仿真結果表明，諧波電壓源輸出21 次內的單次諧波時，其THD 不會超過1%。
上述仿真結果說明了諧波電壓源輸出波形具有很高的精度，同時也驗證了諧波電壓源離散域模型的正確性。
表1 諧波電壓源輸出單次諧波時的畸變率。
4 結語
分析了諧波電壓源的主電路模型，探討了基于濾波電容電流和負載電壓瞬時值的雙閉環PI控制策略，利用VHS-ADC 數字信號處理系統采樣率高、實時性強、建模靈活等特點，構建離散域實時仿真控制模型。仿真結果表明，該設計方法和離散化模型是正確的，說明了基于FPGA 進行諧波電壓源研究的可行性。