基于FPGA的谐波电压源离散域建模与仿真.docx

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1、基于FPGA的谐波电压源离散域建模与仿真近年来，由于电力电子装置等非线性负荷的大量增加,电力系统的谐波污染越来越严重，严重地影响了电能计量的准确性和合理性,由此导致的纠纷也屡见不鲜。因此，研究用于电能计量的谐波电压源装置，对电能计量有着非常重要的意义。要求用于电能计量的谐波电压源能逊121次内任意谐波的叠加，因此对采样频率要求较高。目前，绝大多数谐波电压源装置采用开关功率放大器作为主电路,利用数字信号处理器(Digita1SignaIProcessing,DSP)作为控制芯片。电力电子模型属于典型的高度并行模型，没有复杂的控制过程，但对采样率要求很高。开关器件的开关频率可达数百kHz,开关周期

2、为s量级，实时系统要能稳定工作，其采样周期应小于开关周期的1/10,DSP则就有些显得力不从心了。现场可编程门阵列(FieIdProgrammab1eGateArray,FPGA)采样率很高,适用于高速度要求的并行运算，运丽程简单。采用FPGA加而S算，不仅能提高采样精度，还能节约成本。近年来，随着技术进步及市场需求量的增加，FPGA厘单位货币所买到的MAC(乘法/累加运算)数比传统的DSP还要高。200万门FPGA可达到1280亿/sMAC的性能，比目前最快的DSP性能还高一个量级，有取代DSP之势。因此，将FPGA应用于谐波电压源的研究中，不失为一种好的思路。VHS-ADC是基于Ma是ab

3、/Simu1ink和FPGA的高速数字信号处理平台，采用VirteXT1系列FPGA,内部拥有丰富的门资源与便件乘法器，工作频率可达420MHz,高速A/D通道采样率可达105MS/s,高速D/A通道采样率可达125MS/soVHS-ADC实现了与S迦U1ink的无缝连接。本文在分析系统原理和设计系统参数基础上，在SimUIink中搭建了谐波电压源的连续域模型，并将其离散化，基于VHS-ADC平台搭建了离散域仿真模型。1主电路结构和控制策略1.1谐波电压源的主电路结构谐波电压源装置可模拟电网的各种现场情况，每相的谐波含量各不相同，因此主电路逆变部分采用3个单相H桥，每个单相H桥由4个开关管IG

4、BT组成。谐波电压源装置的主电路图如图1所示。其中，每个H桥可以等效为一个可控电压源，为系统提供频率、幅值、相位可调的谐波电压。逆变部分由4个开关管IGBT组成，逆变部分的直流侧电压由整流部分提供。整流部分由降压变压器和三相不可控整流电路组成，三相市电由降压变压器降压隔离，再经三相不可控整流，得到逆变电路所需的稳定直流电压。出口处的电感电容构成单调滤波器,用于滤除载波和高次谐波。图1谐波电压源装置主电路。1.2谐波电压源的控制策略双闭环P1调节的控制器简单,具有一定的鲁棒性，在工程控制领域得以广泛应用。因此，本文采用基于SPwM的双闭环P1控制策略，双闭环P1控制的原理框图如图2所示。图2中，

5、外环电压以理想的正弦波作为参考电压，输出电压与参考电压比较后经P1调节作为由速内环的参考值，该电流参考值与反馈电流比较，再经P1调节后与PwM控制器中的三角波比较，产生PWM信号驱动逆变器。图2电压、电流双闭环P1控制原理框图。本文引入负载电压瞬时值和滤波电容电流瞬时值作为反馈信号，根据实际值和期望值的偏差来实时控制输出电压波形，保证输出电压波形的精度，消除各种非正弦因素和扰动对输出电压的影响。由于输出滤波电容电流是对逆变器输出电压的微分，十分微小的电压变化即可引起电容电流的较大波动。因此，电容电流的引入更能使系统得到良好的动态性能。2基于VHS-ADC平台的系统建模基于FPGA的VHS-AD

6、C高速信号处理平台，其模型库具有丰富的数字信号处理模型，SimU1iIIk自带的模型库不能编译成FPGA代码，而XiIink模型库是基于离散信号Z域的模型。因此，需要构建Z域电力电子仿真模型。基于Z域的控制电路VHSNDC模型如图3所示。该模型主要由PWM发生器、PI控制模块、限幅模块和死区模块组成。三角波用Conner计数器产生。图3中的GateWayin为数据转化模块，将s域信号转化为Z域信号。图3控制电路VHS-ADC模型。电压外环PI环节可表示为：式中u(t)控制量时间Kp比例系数方程为：e(t)系统的控制偏差Ti积分为了搭建离散域模型，在近似条件下得离散化式中T采样周期k采样序号，k

7、=1,2,e(k)-PI环节的输入信号Ki二Kp/Ti积分系数将式(2)与Uk-1的表达式进行比较，则可得到第k次采样时刻的离散方程：根据P1的离散方程，可构建VHSfDC模型。以电压外环P1为例，其模型如图4所示。CMUIt为乘法器模块，大小等于采样时间T;Convert为数据转化模块，将输入信号转化为合理的数据格式。数据格式由数据位数和小数位数确定，在保证仿真精度的前提下，尽量减小数据位数，节约硬件资源。图4电压外环P1模型。利用3个加法器和1个减法器，可实现限幅环节。减法器运算结果为负时，输出为0;运算结果为正时，输出为正常值。Constant1和ConStant2分别设置限幅模块的上、

8、下限，限幅环节的模型如图5所示。Constant1AddSub2AddSubIAddSUb3AddSubCOnStan2图5限幅环节模型。利用延迟模块和逻辑模块，可设置逆变器死区时间。输入信号经过De1ay模块，被延迟4个采样周期时间，再与原信号进行逻辑与运算，就可得到带有死区时间的PWM信号，被De1ay模块延迟的时间就是设置的死区时间。死区时间模型如图6所示。CDIn1CIn20MCD140ut31ogica12图6死区时间的VHS-ADC模型。依靠平台提供的co-simu1ink,将搭建的离散域控制模型进行编译，并自动生成代码，下载到FPGA,生成一个bit流文件，将含有bit文件的协议

9、同仿真模块与谐波电压源的主电路连接。当在SimUIink中进行仿真时，FPGA上的实时运算结果返回到SimUIink环境中，提高了仿真速度。3仿真结果利用MatIab/Simu1ink软件和VHSNDC仿真平台，建立完整的谐波电压源仿真模型。仿真参数:输入电压为UU=UV=UW=220V;滤波电感1=0.05mH,滤波电容C=100UF0电压环P1参数：比例系数KP=13,Ki=0.4;电流环P1参数：比例系数KP=15,Ki=0.2,负载R=30Q;采样时间为100ns,单相额定输出功率为3kV0稳态下，谐波电压源输出的单相基波波形如图7所示。因为三相不可控整流提供的直流电压需要约0.01s

10、才能达到稳定，所以谐波电压源输出波形在0.01s之前是逐渐增大的，当直流电压稳定后，仿真波形几乎与期望波形重合。为了验证装置的谐波合成能力，将30V4次谐波叠加到100V基波上，如图8所示。叠加后的波形在0.01s前逐渐增大，在0.01s后几乎与期望波形重叠;将所得波形进行傅里叶分析，4次谐波含量为基波的30%,其频谱分析图如图9所示。图7基波输出波形与期望波形的对比。图8叠加信号输出波形与期望波形的对比。120OQo864(粗塔)MPS20-o1d1-J1I1510/沙谐振波次二UI-73图9叠加波形的频谱图。表1为输出波形为单次谐波时，总谐波畸变率(THD)的大小。仿真结果表明，谐波电压源

11、输出21次内的单次谐波时，其THD不会超过1%。上述仿真结果说明了谐波电压源输出波形具有很高的精度，同时也验证了谐波电压源离散域模型的正确性。表1谐波电压源输出单次谐波时的畸变率。谐波次数THD%谐波次数THDec谐波次数THDce2().3170.34120.5630.3480.38130.6340.3390.44140.6350.35100.47150.6860.38110.49160.674结语分析了谐波电压源的主电路模型，探讨了基于滤波电容电流和负载电压瞬时值的双闭环P1控制策略，利用VHS-ADC数字信号处理系统采样率高、实时性强、建模灵活等特点，构建离散域实时仿真控制模型。仿真结果表明，该设计方法和离散化模型是正确的，说明了基于FPGA进行谐波电压源研究的可行性。