趙鑫，陳國初，張子騫，朱志權(quán)

（1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海201306；2.格拉茨技術(shù)大學(xué)電力系統(tǒng)研究所，奧地利格拉茨；3.上海電氣風(fēng)電集團(tuán)，上海200241）

0 引言

近年來，由于化石能源等不可再生資源的短缺，風(fēng)能、太陽能等可再生能源得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但這些可再生能源分布廣泛，無法集中利用發(fā)電，因此對分布式發(fā)電技術(shù)的研究就顯得愈發(fā)重要。

目前，由于越來越多的電力電子器件應(yīng)用于電網(wǎng)當(dāng)中，較多的非線性負(fù)載帶來了電網(wǎng)諧波污染的問題。分布式能源之間距離遠(yuǎn)、地址位置偏，因此在電能傳輸?shù)倪^程中，傳輸線路的距離增長，變壓裝置較多，使得在并網(wǎng)逆變器以及電網(wǎng)之間的阻抗較大。此時(shí)，電網(wǎng)呈現(xiàn)弱電網(wǎng)特性[1]。

在并網(wǎng)逆變器控制器中，鎖相環(huán)（PLL）是目前使用最普遍的相位同步方法，它能夠捕獲實(shí)時(shí)的相位信息，在電壓畸變以及三相不平衡條件下，能夠準(zhǔn)確、快速地鎖定電壓相位，因此其性能對于整個(gè)控制系統(tǒng)至關(guān)重要。鎖相環(huán)（PLL）的結(jié)構(gòu)可以分為3 種類型：基于過零點(diǎn)檢測的鎖相環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單，且無法準(zhǔn)確跟蹤電壓相位；基于靜止坐標(biāo)系的鎖相環(huán)以及基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的鎖相環(huán)不能在電網(wǎng)不平衡時(shí)具備良好的性能。如何在弱電網(wǎng)條件下保證鎖相環(huán)的良好性能十分必要。文獻(xiàn)[7]分析了鎖相環(huán)在輸出導(dǎo)納矩陣中的影響，表明鎖相環(huán)可能帶來低階諧波震蕩，說明了鎖相環(huán)在逆變器并網(wǎng)過程中會(huì)帶來較大的影響；文獻(xiàn)[8]采用在三相同步鎖相環(huán)（SRF-PLL）添加移動(dòng)平均濾波器實(shí)現(xiàn)了獲取精確的相位信息的功能，但是這種方式不適用于弱電網(wǎng)條件下，逆變器控制器在電網(wǎng)故障條件下的控制準(zhǔn)確度不高；文獻(xiàn)[13]采用了一種雙二階廣義積分器的鎖相環(huán)（Dual Second- Order Generalized Integrator-PLL，DSOGI-PLL）算法，實(shí)現(xiàn)在電網(wǎng)不平衡、含有諧波或電壓畸變情況下的準(zhǔn)確鎖相，但這種鎖相環(huán)建模比較復(fù)雜。

本文提出使用采用三相同步鎖相環(huán)對逆變器的控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，并在FPGA 中進(jìn)行建模，使得控制器精度較大提高，能夠?qū)崿F(xiàn)弱電網(wǎng)比較容易受到擾動(dòng)的情況下，對電網(wǎng)電壓的精準(zhǔn)鎖相，提高了并網(wǎng)逆變器控制器的準(zhǔn)確性以及快速性，完成CHIL 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性及可行性。

1 并網(wǎng)逆變器控制器研究

如圖1 所示為PLL 下的dq 變換向量圖，PLL 影響下的dq 變換使系統(tǒng)產(chǎn)生δ 的相移，電網(wǎng)系統(tǒng)的相角為θg，PLL 的相角為θPLL，而δ=θg-θPLL，可見影響逆變器穩(wěn)定性的有電網(wǎng)和PLL 兩個(gè)因素，而電網(wǎng)相角θg為固定值，所以我們應(yīng)該對θPLL進(jìn)行研究。

圖1 PLL下的dq變換向量圖

逆變器與無限大母線相連，取三相電流i 與三相電壓U 進(jìn)行dq 變換，Uq進(jìn)行鎖相環(huán)控制，經(jīng)PI 控制器、積分取余之后得到電網(wǎng)與逆變器的相角差θ，將相角差θ 反饋給三相電壓電流進(jìn)行Park 變換與逆Park 變換，Park 變換得到的id、iq經(jīng)PI 積分器之后進(jìn)行解耦，得到進(jìn)行反dq 變換得到新的三相abc 電壓，實(shí)現(xiàn)了逆變器控制器對電網(wǎng)電壓的鎖相控制。如圖2 所示為三相同步鎖相環(huán)（SRF-PLL）的控制原理框圖。

圖2 并網(wǎng)逆變器及控制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

其中，派克變換部分的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

SRF-PLL 是最常見的一種鎖相環(huán)，其原理為三相電壓（電流）經(jīng)過Park 變換之后，將q 軸變量經(jīng)PI 之后經(jīng)積分環(huán)節(jié)產(chǎn)生相角Δθ，將其反饋給dq 變換，形成閉環(huán)結(jié)構(gòu)。圖3 為并網(wǎng)逆變器控制原理框圖。

2 基于FPGA的逆變器控制器實(shí)現(xiàn)

如圖4 所示為FPGA 中逆變器控制器設(shè)計(jì)框圖，Uabc、Iabc為從dSPACE 接收的三相電網(wǎng)電壓以及由逆變器產(chǎn)生的電流，經(jīng)ADC 數(shù)據(jù)采集卡接收電壓電流數(shù)據(jù)，由于dSPACE 發(fā)送的數(shù)據(jù)為0-5V，在ADC 采集數(shù)據(jù)之后需要進(jìn)行數(shù)值的變換，經(jīng)數(shù)值上浮之后變換為電壓為-400-400V，電流變換為-25-25V。數(shù)值變換后的電壓電流經(jīng)dq 變換，三相電壓變換后得到Uq=0，將Uq經(jīng)PI 控制器之后積分得到電網(wǎng)電壓相角，與2 π 進(jìn)行比較之后得到相角差ωt（0-2 π）并反饋給三相電壓與三相電流進(jìn)行dq 變換，實(shí)現(xiàn)鎖相控制。

將三相電流dq 變換之后得到的Id、Iq經(jīng)PI 控制器，Udc為直流母線電壓，對Udc進(jìn)行數(shù)值變換，進(jìn)行限幅，經(jīng)PI 控制器得到直軸電流給定值Idref，實(shí)現(xiàn)了直流母線與控制器之間的雙向控制。將三相電流經(jīng)dq 變換之后的Id、Iq與Id、Iq經(jīng)PI 控制器得到的UPI-d-out、UPI-q-out進(jìn)行解耦控制。

GFF 為電壓前饋模塊，將解耦后的Ud、Uq與三相電壓進(jìn)行dq 變換之后得到的Ud、Uq進(jìn)行電壓前饋，實(shí)現(xiàn)電壓前饋控制，并對電壓環(huán)控制所得到的新的Ud、Uq進(jìn)行限幅。將得到的新的Ud、Uq進(jìn)行逆dq 變換，得到新的Uabc與Udc生成帶死區(qū)的PWM 波，并反饋給dSPACE。

圖3 并網(wǎng)逆變器控制原理框圖

圖4 FPGA中逆變器控制器設(shè)計(jì)框圖

3 基于CHIL的并網(wǎng)逆變器控制的實(shí)現(xiàn)

如圖5 所示為控制器硬件在環(huán)（CHIL）的整體實(shí)驗(yàn)框架，F(xiàn)PGA 中主要完成逆變器控制器的模型搭建，設(shè)置整個(gè)模型運(yùn)行在10KHz 下。dSPACE 中主要完成逆變器模型的搭建，其中逆變器模型是基于Simulink 搭建的，設(shè)置此模型運(yùn)行在20KHz 下。

dSPACE 經(jīng)D/A 傳輸三相電壓以及三相電流給FPGA 的A/D，F(xiàn)PGA 接收到dSPACE 的電壓電流信號之后，進(jìn)行dq、PLL、PI、逆dq 等，經(jīng)FPGA 的輸出引腳輸出三相PWM 至dSPACE 的I/O 接口，經(jīng)過FPGA 的輸出引腳時(shí)需要進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換、數(shù)字大小變換等，使得三相PWM 信號能夠完整地傳遞到dSPACE。

圖5 CHIL實(shí)驗(yàn)整體框架圖

dSPACE 接收FPGA9607 發(fā)出的PWM 波，然后轉(zhuǎn)換成占空比對逆變器模型進(jìn)行控制，然后采集電網(wǎng)電壓U 及電流I 通過D/A 轉(zhuǎn)換傳送給FPGA9607，由于dSPACE 的D/A 輸出接口具有輸出范圍限制，因此在采集電網(wǎng)電壓U 及電流I 之后需要對其波形進(jìn)行抬高及縮小幅值處理，使其幅值在D/A 口輸出范圍內(nèi)。

通過Simulink 搭建了逆變器模型、電網(wǎng)模型、逆變器控制器模型，由于dSPACE 可以與Simulink 實(shí)現(xiàn)互通，因此將Simulink 直接導(dǎo)入dSPACE controldesk 中即可，其中逆變器模型通過由FPGA9607 輸入的PWM 波進(jìn)行控制。設(shè)置電網(wǎng)中的電阻阻抗較小，可以模擬弱電網(wǎng)情況下的逆變器并網(wǎng)環(huán)境。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

如圖6 為CHIL 實(shí)驗(yàn)搭建平臺(tái)，包括dSPACE 構(gòu)建的仿真器，NI9607 構(gòu)建的控制器。在現(xiàn)實(shí)情況中電網(wǎng)一直處于運(yùn)行狀態(tài)，而逆變器處于準(zhǔn)備并網(wǎng)狀態(tài)，因此在實(shí)驗(yàn)時(shí)dSPACE 空跑，F(xiàn)PGA 中逆變器控制器模型處于RESET 狀態(tài)。之后逆變器并網(wǎng)，逆變器控制器開始工作，控制器接收到dSPACE 傳遞的三相電壓、電流，打開PLL 的RESET，使dq 變換抓住電壓相位，打開PI的RESET，對PI 進(jìn)行軟啟動(dòng)，進(jìn)行三相電流的dq、反dq 變換，逆變器控制器對逆變器的橋臂開關(guān)進(jìn)行控制得到pwm 波形，反饋給dSPACE，對逆變器進(jìn)行控制。

圖6 CHIL實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖

如圖7、圖8、圖9 所示為CHIL 實(shí)驗(yàn)?zāi)M電網(wǎng)平衡與電網(wǎng)不平衡條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖，黃色為dSPACE發(fā)送的Ua 波形，綠色為輸出一相SPWM 波形，藍(lán)色為dSPACE 經(jīng)FPGA 給定之后輸出的Ia 波形，可見兩個(gè)正弦波形的相移幾乎為零，達(dá)到了利用FPGA 快速精確控制的目的。

圖7 模擬電網(wǎng)正常情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖（1）

圖8 模擬電網(wǎng)正常情況下實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖（2）

圖9 模擬電網(wǎng)不平衡條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

5 結(jié)語

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的基于NI9607 的FPGA 核心板設(shè)計(jì)的逆變器控制器能夠很好地對弱電網(wǎng)情況下并網(wǎng)逆變器進(jìn)行控制，在電網(wǎng)正常條件下，可以實(shí)現(xiàn)較好的鎖相控制；在電網(wǎng)發(fā)生低電壓穿越時(shí)，設(shè)計(jì)的逆變器控制器能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的控制，并能夠較快速地恢復(fù)運(yùn)行。因此設(shè)計(jì)的逆變器控制器能夠在弱電網(wǎng)條件下，在電網(wǎng)的正常以及故障條件下實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定、精確地控制。