比年来,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公道性,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模拟21次内任意谐波的叠加,因此对采样频率要求较高。 本京电港论坛文章在分析系统原理和设计系统参数底子上,在Simulink 中搭建了谐波电压源的一连域模型,并将其离散化,基于VHS-ADC 平台搭建了离散域仿真模型。 1 主电路布局和控制计谋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,因此主电路逆变部门采用3 个单相H 桥,每个单相H 桥由4 个开关管IGBT 组成。谐波电压源装置的主电路原理图纸如图1{京电港论坛} 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PI 调治的控制器简单,具有一定的鲁棒性,在工程控制范畴得以广泛应用。因此,本文采用基于SPWM 的双闭环PI 控制策略,双闭环PI 控制的原理框架图如图2{京电港论坛} 所示。图2 中,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力后经PI 调节作为电流内环的参考值,该电流参考值与反馈电流比较,再经PI 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PI 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,包管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,十分微小的电压厘革即可引起电容电流的较大颠簸。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-ADC 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,Simulink自带的模型库不能编译成FPGA 代码,而Xilink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。 图3 控制电路VHS-ADC 模型。 电压外环PI 环节可表现为: 式中u(t)―――控制量 e(t)―――系统的控制偏差 ―――积分时间 Kp―――比例系数 为了搭建离散域模型,在近似条件下得离散化方程为: 式中T―――采样周期 k―――采样序号,k = 1,2,… e(k)―――PI 环节的输入信号 Ki = Kp /―――积分系数 将式(2) 与uk - 1的表达式举行比较,则可得到第k 次采样时刻的离散方程: 根据PI 的离散方程,可构建VHS-ADC 模型。 以电压外环PI 为例,其模型如图4{京电港论坛} 所示。CMult为乘法器模块,巨细即是采样时间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,只管减小数据位数,节约硬件资源。 图4 电压外环PI 模型。 利用3 个加法器和1 个减法器,可实现限幅环节。减法器运算效果为负时,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、下限,限幅环节的模型如图5{京电港论坛} 所示。 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。输入信号颠末Delay 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Delay 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{京电港论坛} 所示。 图6 死区时间的VHS-ADC 模型。 依靠平台提供的co-simulink 接口,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 文件的协议同仿真模块与谐波电压源的主电路连接。当在Simulink 中进行仿真时,FPGA 上的实时运算结果返回到Simulink 情况中,提高了仿真速度。 3 仿真结果利用Matlab /Simulink 软件和VHS-ADC 仿真平台,创建完整的谐波电压源仿真模型。仿真参数:输入电压为Uu = Uv = Uw = 220 V;滤波电感L = 0. 05 mH,滤波电容C = 100 μF。电压环PI 参数:比例系数Kp = 13,Ki = 0. 4;电流环PI 参数:比例系数Kp = 15,Ki = 0. 2,负载R = 30 Ω;采样时间为100 ns,单相额定输出功率为3 kVA。 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。 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,谐波电压源输出21 次内的单次谐波时,其THD 不会凌驾1%。 4 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PI控制策略,利用VHS-ADC 数字信号处理系统采样率高、实时性强、建模机动等特点,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。
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