并网电流控制电压源逆变器的FPGA 控制实现

赵倩，陈杨军，胡珍妮

（西安交通工程学院，陕西西安 710300）

电压源逆变器已越来越多地应用于风力发电机组、太阳能电池等可再生能源的并网中。电压源逆变器在分布式发电市场上占据主导地位，可以通过电压或电流反馈进行控制[1-2]，电流控制因优良的动态特性和固有的过流保护而受到青睐。电压源逆变器的电流控制调制有三大类，即滞后控制、预测电流控制和斜坡比较[3-4]。

根据控制策略的不同，传统的功率变换器控制系统通常采用微控制器或复杂可编程逻辑器件来设计。然而，越来越复杂和实时的数据分析对数字信号处理器（DSP）的要求越来越高。DSP 具有良好的可编程性，可以方便地管理条件代码，也可以使用专用集成电路（ASIC）[5-6]。

FPGA 的结构基于可控逻辑块矩阵，由查找表和D 型触发器组成[7-8]，查找表可以配置为RAM/ROM 或逻辑函数，D 型触发器可以处理寄存器。FPGA 还有额外的内置功能，如专用DSP块，可以在一个时钟周期内处理复杂的计算。

在需要快速输入/输出（I/O）的场合，FPGA 技术的应用较为广泛。文中设计并实现了一种基于FPGA的并网CC-VSI 控制系统。控制系统包括电网电压相位跟踪、逆变器逻辑输出控制、有功和无功潮流控制、高速突发记录和故障检测[9]，讨论了硬件的实现及其局限性，总结了具体功能所需的门的数量[10]。控制系统在FPGA芯片上实现，VHDL代码由LabView代码生成。在一个并网VSI 的实验装置中，评估了该系统的实际可行性。将单位功率因数下的30 kW电能注入当地电网，通过在有功功率流中产生阶跃响应来评估电流控制回路的性能。

1 FPGA编程

FPGA 编程的第一步是定义所使用的算法，算法的特征包括复杂度和时间限制。在逻辑门可用的情况下，同样的函数可以用不同的方式表示[11-12]。

FPGA 的基本构建块应与整数数学运算一起使用，可以采用浮点操作，但其逻辑单元的利用率很低。如果需要小数点，则使用定点数字代替浮点。定点数字是由其位长度和分配给十进制精度的位数预定义的，可以是有符号的，也可以是无符号的。

加法和减法是相当简单的操作，对FPGA 的空间需求很小，而乘法会占用较大网关，应该尽量避免。但是用2N乘法可以很容易地替换定点数字的小数点移位，不会占用资源[13-14]。

2 电网相位跟踪

目前，已经有多种已知的电网相位跟踪方法。过零检测是一种简单的实现方法，但对噪声敏感，且不提供过零点之间的任何相位信息。更先进的方法包括锁相环（PLL）、卡尔曼滤波器或离散傅里叶变换（DFT）[15]。文中采用三相同步参考坐标系锁相环进行电网相位跟踪[16]。锁相环结构如图1 所示。

图1 用于电网相位跟踪的锁相环结构

锁相环的闭环传递函数可以表示为：

其中，KP和KI为PI 控制器的增益，Ts为PLL 的采样时间。如果采样频率足够高，则上述表达式可以简化为：

采样频率通常设置为开关频率或开关频率的一半，具体取决于所用的控制算法。

3 功率流控制

假设电网是刚性的，并网VSI 的有功功率P和无功功率Q表示如下：

式中，Vg为电网电压，Vi为逆变器电压，δ为相位角，X为VSI 和电网之间的电抗。

文中采用正弦脉宽调制将控制信号Vc与载波信号进行比较，产生逆变器输出脉冲。Vc由以下公式计算：

4 实验装置

并网CC-VSI 的实验设置如图2 所示，三相逆变器由3 个双封装400GB126D IGBT 模块制成，上面安装有2SC0108T2Ax-17 驱动板，逆变器直接与三相YY 型变压器相连。

图2 并网CC-VSI的实验装置

在变压器的二次侧放置一个LCL 滤波器，初级和次级滤波电感的值都指定为1.5 mH，相位之间的不平衡度为±10%，公共耦合点（PCC）处的电网主电压为400 V。

使用compactRIO NI-9014 模块，该模块集成了RT控制器和FPGA芯片。FPGA芯片型号为Xilinx-5，内部时钟频率为40 MHz。RT 控制器的型号为NI-9022。首先，采用NI-9205 模拟差分输入模块进行数据采样；当设置为差分模式时，它共有16 个可用通道，具有250 kS/s 的单端输入模拟数字转换(ADC)速度和16 位分辨率，差分输入需要3 倍的采样时间。在给定的控制策略中，必须进行7 个测量，其中3 次电网电压测量，3 次电网电流测量，一次直流电压测量。机箱中的第二个I/O 槽用于控制逆变器信号输出，每个输出的延迟时间为8 μs。

5 FPGA实现

控制系统是使用Labview 实现的，在将其编程到FPGA 芯片之前，先将其编译为VHDL 代码。图3 中给出了各种控制回路的总体概况。从图3 可以看出，控制回路提供了连接RT 控制器和PC 的装置。RT控制器可用于电网电流的谐波分析、故障处理和FPGA 突发日志数据的传输，在出现任何检测故障（如过流）时触发突发日志。

图3 并网控制系统的FPGA实现

5.1 锁相环

锁相环的主要延迟是电网电压ADC 的延迟。通过对频率进行积分可以获得相位，PI 控制器可以通过移位寄存器或通用DSP 模块来实现，文中选择后者。变量sinθ和cosθ被输入到局部变量中，这些局部变量可以在FPGA上的并行循环中使用。

5.2 SPWM和电流控制

所有三相的双极SPWM 控制信号Vc的计算是通过Clarke/Park 逆变换完成的，并重用了锁相环的三角测量结果。逆变器数字输出是通过将Vc与锯齿波或三角波等载波波形进行比较产生的，选择锯齿波是因为它易于实现。如果图3 所示的SPWM 回路时间为tSPWM，则锯齿波的开关频率fs可以计算为：

其中，fFPGA是FPGA 的时钟频率，此处取值为40 MHz。如果SPWM 环路与锁相环串联，则运行时间变为84 μs。此时SPWM 循环时间只有8 个周期，通过设置例如N=512步，可以获得fs=4.88 kHz 的开关频率。可通过改变N或引入延迟时间来延长tSPWM，从而改变开关频率。

6 结果与讨论

锁相环是通过在FPGA 内部使用LUT 模拟三相电网电压来测试的。在图4（a）中，锁相环跟踪了无失真50 Hz 电网电压的栅极相位，获得了较好的结果。在图4（b）中，电网电压中增加了5%的谐波，相位跟踪仍然是稳定的。

图4 锁相环相位跟踪

图5（a）比较了电网电压和锁相环信号的时域过零点。由于电网电压在采样过程中没有显著变化，因此离散锁相环可以很好地表示电网电压。文中对锁相环的抗噪性进行了评估，如图5（b）所示。其中，20%的高斯噪声被添加到电网电压中，从图中可以看出，噪声被锁相环有效滤除，这是因为积分起到了低通滤波器的作用。

图5 电网电压的时域相位跟踪

图6 所示为30 kW 有功功率下的三相电流，无功功率流设置为零。由该图可以看出，系统是稳定的，但是谐波LCL 滤波器中存在不平衡信号，导致相电流之间存在微小的不平衡，这可以通过补偿SPWM控制信号来缓解，或者将控制系统扩展到3 个单独的电流控制回路。对于更稳定的电流控制回路，可以对被测电流进行对称滤波。

图6 电网电流和单相电压

对于间歇性的可再生能源，除非有一些中间的能量储存，否则电网的电力输入可能会迅速变化。因此，电流控制系统必须在保持无功功率流达到所需水平的同时，管理有功功率中的阶跃响应。在图7中，在保持所需无功功率流为零的同时，从1 kW 到21 kW 进行升压响应，在图8 中执行相应的降压响应。由于电网电压稳定，因此Iq与有功功率成正比，Id与无功功率成正比。

图7 有功功率从1 kW到21 kW的升压响应

图8 有功功率从21 kW到1 kW的降压响应

由于电网电压存在畸变，因此注入电流将携带低次谐波，低通LCL 滤波器无法消除低次谐波，这些低次谐波存在于Id和Iq波纹中。低次谐波的存在使得电流控制反馈回路的灵敏度难以调整，有两种方法可以解决这个问题：一种方法是电流的50 Hz 基频都由高阶带通滤波器滤波；另一种方法是对Id和Iq电流进行滤波。文中在FPGA 上应用了平滑移动平均滤波器，Id和Iq电流的移动平均值可以用作PI 控制器的输入。

7 结论

文中设计并实现了一种基于FPGA 的并网电流控制系统，该系统已被证明适用于与电网相连的VSI，可为本地电网提供30 kW 的功率和完全无功功率控制。

FPGA 技术的发展，特别是通用DSP 模块的发展，使其成为一种具有竞争力的控制硬件，非常适合于开发项目。此外，如果需要更繁重的计算或数据日志记录，可以使用一个补充系统。文中使用RT 控制器进行谐波分析、突发日志记录和故障检测等。采用锁相环实现了电网电压的稳态相位跟踪，在模拟电网电压时，加入谐波和噪声，仍能保持锁相环的稳定相位跟踪。由于LCL 滤波器中存在不平衡信号，因此相位电流之间存在轻微的不平衡，这可以通过逆变器的单独相位控制来缓解，在有功功率下进行阶跃响应，同时将无功功率保持为零。由于电网电流的谐波含量较低，因此增加了一个滑动平均滤波器，以获得更平滑的控制变量。