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(shì)。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(shí)，電網(wǎng)容易出現(xiàn)低短路比現(xiàn)象，即呈現(xiàn)弱電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)[1]。弱電網(wǎng)的主要特點(diǎn)是阻抗值波動(dòng)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(hào)按照傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)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(huì)在電網(wǎng)供電或輸電過程中對(duì)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(shí)踐與研究成果證明，電網(wǎng)阻抗中的阻性成分對(duì)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(duì)弱電網(wǎng)下逆變器運(yùn)行產(chǎn)生的諧波進(jìn)行控制處理[2]?，F(xiàn)階段，已有較多的技術(shù)人員與科研人員在深入此項(xiàng)研究，提出了多種可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)際應(yīng)用中受到限制，降低了對(duì)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(chǎng)可編程邏輯門列陣（Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA），設(shè)計(jì)一種針對(duì)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(yùn)行異?；蚬╇姺?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(chǎng)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(shí)現(xiàn)對(duì)弱電網(wǎng)逆變器諧波的有效控制，應(yīng)在設(shè)計(jì)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(gè)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(yùn)行原理，建立一個(gè)逆變器等效控制模型，建模過程計(jì)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(huì)導(dǎo)致逆變器共振峰呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，從而提取行為出現(xiàn)時(shí)延[5]。因此，可在不增加逆變器阻尼的情況下，通過控制延時(shí)的方式進(jìn)行逆變器諧波峰值的提取。此過程計(jì)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(duì)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(jì)[7]。在此過程中，使用QuartusⅢ8.0FPGA，對(duì)弱電網(wǎng)逆變器在運(yùn)行中的各功能模塊進(jìn)行統(tǒng)一處理，通過對(duì)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(jí)。

在FPGA中插入全局時(shí)鐘、復(fù)位參數(shù)、恢復(fù)信號(hào)等條件，對(duì)閉環(huán)狀態(tài)下的逆變器脈沖系列輸出進(jìn)行主動(dòng)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(yùn)行特性的提取。在此過程中，開環(huán)模擬是檢驗(yàn)?zāi)孀兤魇欠衲軌蚋鶕?jù)已有的功能實(shí)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(yàn)電網(wǎng)中的逆變器能否實(shí)時(shí)調(diào)整并輸出正弦波。檢驗(yàn)過程計(jì)算公式為

式中：f為逆變器輸出正弦波的檢驗(yàn)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(yàn)后，根據(jù)可調(diào)節(jié)參數(shù)，設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)逆變器運(yùn)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(jì)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，可采用對(duì)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(jì)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(duì)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(jì)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(duì)諧振頻率偏移的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)。

4 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用中效果的檢驗(yàn)，將以某地區(qū)大型供電服務(wù)單位為例進(jìn)行測(cè)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(yàn)。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(jì)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(yùn)行中注入5%的諧波模擬逆變器產(chǎn)生諧波的運(yùn)行環(huán)境。弱電網(wǎng)逆變器在1～4 s屬于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，在4 s時(shí)，對(duì)其背景注入諧波，盡管此時(shí)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(cè)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(duì)注入的諧波進(jìn)行控制?？刂七^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(yùn)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(duì)平衡的狀態(tài)。此外，通過諧波噪聲調(diào)節(jié)算法，對(duì)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(duì)逆變器諧波的控制。

對(duì)比2種方法對(duì)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(duì)弱電網(wǎng)逆變器諧波的控制效果

圖3 本文方法對(duì)弱電網(wǎng)逆變器諧波的控制效果

從上述圖2與圖3的測(cè)試結(jié)果可以看出，2種方法在實(shí)際應(yīng)用中，都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(duì)注入背景諧波的電流峰值信號(hào)進(jìn)行放大處理，處理后可以發(fā)現(xiàn)，使用本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行逆變器諧波控制，其控制后峰值放大信號(hào)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(hào)中仍存在較為細(xì)微的諧波干擾。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(jì)的基于FPGA的弱電網(wǎng)逆變器諧波控制方法，在實(shí)際應(yīng)用中的效果較好，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了此方法在實(shí)際應(yīng)用中可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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。