基于FPGA的弱电网逆变器谐波控制方法

陈 涛，汪淳飞

（杭州世创电子技术股份有限公司，浙江 杭州 311103）

0 引 言

新能源在电力行业发展中的介入，太阳能、风力发电等新技术渗透率的日益提高，电力行业呈现出了一种全新的发展趋势。在此过程中，逆变器作为新能源与电网互联的关键设备之一，其性能与综合质量将直接关系到电网供电的品质。当输电、配电线路长度大、地区电网中有大量的绝缘变压器时，电网容易出现低短路比现象，即呈现弱电网运行状态[1]。弱电网的主要特点是阻抗值波动范围大、电网输电过程中电压存在大量谐波等。而在此过程中所谓的谐波是指将提取的具有周期变化特征的波信号按照傅里叶级数对其进行划分与分解处理，大于基频的波频分量都可被统称为谐波。一般条件下，谐波的波次较高，会在电网供电或输电过程中对其电能质量造成干扰与负面影响。根据现有的大量实践与研究成果证明，电网阻抗中的阻性成分对电力系统与电网的稳定性具有较为重要的影响，因此有必要采取有效的措施，对弱电网下逆变器运行产生的谐波进行控制处理[2]。现阶段，已有较多的技术人员与科研人员在深入此项研究，提出了多种可实现对谐波进行控制的技术手段与方法，但现有的方法大多在实际应用中受到限制，降低了对逆变器谐波的控制效果。

为解决此方面问题，本文引进现场可编程逻辑门列阵（Field Programmable Gate Array，FPGA），设计一种针对弱电网逆变器的谐波全新控制方法，通过此种方式解决由于谐波引起的电网运行异常或供电服务质量不佳的问题，提高电能质量，助力我国电力行业在市场内的稳定、健康发展。

1 弱电网逆变器谐波峰值提取

为实现对弱电网逆变器谐波的有效控制，应在设计方法前明确谐波的产生通常集中在逆变器输出电流的峰值，应在控制前进行弱电网逆变器谐波峰值的提取。为了过滤因桥臂开关引起的副谐波，必须在输出端安装一个滤波器，以达到良好的输出电流品质，避免谐波提取过程受到外界相关环境因素的影响[3]。

在此过程中，根据逆变器的运行原理，建立一个逆变器等效控制模型，建模过程计算公式为

式中：G为逆变器等效控制模型；C为副谐波函数；S为滤波系数；K为外界相关环境因素影响系数；P为逆变侧电感值；i为滤波电容值。在此基础上，根据逆变器中电流的开环传输方式进行谐波峰值的采集[4]。采集过程中，考虑到逆变器中的电容电感器和线路寄生电阻之间存在一定的影响，此种影响会导致逆变器共振峰呈现降低趋势，从而提取行为出现时延[5]。因此，可在不增加逆变器阻尼的情况下，通过控制延时的方式进行逆变器谐波峰值的提取。此过程计算公式为

式中：F为弱电网逆变器谐波峰值提取处理过程；n为逆变器阻尼系数；L1为振谐比例系数；L2表示电感比例系数；A表示谐振频率。

2 基于FPGA的逆变器开环与闭环调节

使用FPGA对其操作进行配置和编程，使逆变器能够实现某些特定的功能，并且能够重复使用[6]。引进FPGA，进行逆变器的开环与闭环调节设计[7]。在此过程中，使用QuartusⅢ8.0FPGA，对弱电网逆变器在运行中的各功能模块进行统一处理，通过对弱电网逆变器输出端功能的编辑和分析，初步掌握正弦脉宽调制（Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM）逆变器的输出层级。

在FPGA中插入全局时钟、复位参数、恢复信号等条件，对闭环状态下的逆变器脉冲系列输出进行主动调节[8]。通过开环、闭环的模拟与分析，进行开环状态下逆变器运行特性的提取。在此过程中，开环模拟是检验逆变器是否能够根据已有的功能实现幅值、频率可调和死区控制的关键[9]。闭环模拟是指通过输入电压反馈值，检验电网中的逆变器能否实时调整并输出正弦波。检验过程计算公式为

式中：f为逆变器输出正弦波的检验过程；N为幅值调控系数；R为反向偏压；p为正弦输出电压。完成检验后，根据可调节参数，设计FPGA在逆变器开环与闭环调节中的系数，通过此种方式实现对逆变器运行状态的综合调节。

3 基于谐振频率偏移补偿的逆变器谐波控制

完成上述设计内容的基础上，可采用对谐振频率偏移的补偿，进行逆变器谐波的控制[10]。谐振频率偏移补偿值计算公式为

式中：Z为谐振频率偏移补偿值；l为偏移距离；α为截止频率；Δβ为有源阻尼补偿系数。在此基础上，考虑到在弱电网条件下，谐振频率偏移对电网的稳定性具有较为直接的影响，因此，可将最小偏移量作为参照系数。通过下述计算公式进行谐波的补偿，即

式中：minχ为谐波的最优补偿值；m为增益函数；δ为开关频率；ε为偏移控制系数；s为偏离量。通过对谐振频率偏移的补偿，实现对逆变器谐波的控制。以此种方式，完成基于FPGA的弱电网逆变器谐波控制方法设计。

4 对比实验

为实现对设计方法在实际应用中效果的检验，将以某地区大型供电服务单位为例进行测试。该单位由于电网输电线路的增加，导致供电服务过程中的不可控因素增加，从而使输送的电能中携带了大量谐波，严重影响用户的用电体验。因此，根据相关工作需求，搭建与电力系统输电与供电服务相同的逆变器作业环境，建立逆变器输电结构模型。模型如图1所示。

图1 弱电网逆变器模型

在上述内容的基础上，设计弱电网逆变器模型中参数。逆变侧电感值与并网侧电感值均为3 mH，滤波电容值为15 µF，谐振系数为100，振谐比例系数为0.15，电感比例系数为0.45，控制器带宽为2.95 Mb/s，积分系数为2.0×103。在电网运行中注入5%的谐波模拟逆变器产生谐波的运行环境。弱电网逆变器在1～4 s属于稳定运行状态，在4 s时，对其背景注入谐波，尽管此时电流的变化仍处于一种周期性稳定状态，在流出电流的峰值上可以显著看出其存在谐波。

为确保测试结果具有一定的可比性，引进基于BP神经网络的弱电网逆变器谐波控制方法作为传统方法，使用传统方法对注入的谐波进行控制。控制过程中，使用BP神经网络逆变器进行建模，提取逆变器在运行中的无谐波电流，在存在谐波的逆变器中注入二次谐波环流，通过此种方式，使供电过程中的电压处于一种相对平衡的状态。此外，通过谐波噪声调节算法，对存在谐波的背景噪声进行去除处理，完成处理后即可认为完成了对逆变器谐波的控制。

对比2种方法对弱电网逆变器谐波的控制效果，将其绘制成图，如图2与图3所示。

图2 传统方法对弱电网逆变器谐波的控制效果

图3 本文方法对弱电网逆变器谐波的控制效果

从上述图2与图3的测试结果可以看出，2种方法在实际应用中，都可以实现对弱电网逆变器谐波的控制，即在4 s后，逆变器输出电流的峰值均未出现明显的谐波。在此基础上，对注入背景谐波的电流峰值信号进行放大处理，处理后可以发现，使用本文设计的方法进行逆变器谐波控制，其控制后峰值放大信号的变化较为平滑，无谐波干扰。使用传统方法进行逆变器谐波控制，其控制后峰值放大信号中仍存在较为细微的谐波干扰。

综合上述实验结果，得出对比实验结论：相比基于BP神经网络的弱电网逆变器谐波控制方法，本文设计的基于FPGA的弱电网逆变器谐波控制方法，在实际应用中的效果较好，可以实现对谐波的有效控制。

5 结 论

本文通过弱电网逆变器谐波峰值提取、逆变器开环与闭环调节、基于谐振频率偏移补偿的逆变器谐波控制，完成了基于FPGA的弱电网逆变器谐波控制方法设计。实验结果证明了此方法在实际应用中可以实现对谐波的有效控制，通过此种方式提高电网输电的稳定性与安全性。