导言
近年来，由于电力电子设备等非线性负荷的很多添加，电力体系的谐波污染越来越严峻，严峻地影响了电能计量的准确性和合理性，由此导致的胶葛也层出不穷。因而，研讨用于电能计量的谐波电压源设备，对电能计量有着非常重要的含义。
要求用于电能计量的谐波电压源能模仿21次内恣意谐波的叠加，因而对采样频率要求较高。
现在，绝大多数谐波电压源设备选用开关功率放大器作为主电路，使用数字信号处理器(DigitalSignal Processing，DSP) 作为操控芯片。电力电子模型归于典型的高度并行模型，没有杂乱的操控进程，但对采样率要求很高。开关器材的开关频率可达数百kHz，开关周期为μs 量级，实时体系要能安稳作业，其采样周期应小于开关周期的1 /10，DSP 则就有些显得无能为力了。
现场可编程门阵列(Field Programrnable GateArray，FPGA)采样率很高，适用于高速度要求的并行运算，运算进程简略。选用FPGA 履行运算，不仅能进步采样精度，还能节省本钱。近年来，跟着技术进步及商场需求量的添加，FPGA 产品单位钱银所买到的MAC(乘法/累加运算)数比传统的DSP 还要高。200 万门FPGA 可到达1 280 亿/s MAC 的功能，比现在最快的DSP 功能还高一个量级，有替代DSP 之势。因而，将FPGA应用于谐波电压源的研讨中，不失为一种好的思路。
VHS-ADC 是依据Matlab /Simulink 和FPGA的高速数字信号处理渠道，选用Virtex-Ⅱ系列FPGA，内部具有丰厚的门资源与硬件乘法器，作业频率可达420 MHz，高速A/D 通道采样率可达105 MS /s，高速D/A 通道采样率可达125 MS /s。VHS-ADC 完成了与Simulink 的无缝衔接。
本文在剖析体系原理和规划体系参数基础上，在Simulink 中树立了谐波电压源的接连域模型，并将其离散化，依据VHS-ADC 渠道树立了离散域仿真模型。
1 主电路结构和操控战略
1. 1 谐波电压源的主电路结构
谐波电压源设备可模仿电网的各种现场状况，每相的谐波含量各不相同，因而主电路逆变部分选用3 个单相H 桥，每个单相H 桥由4 个开关管IGBT 组成。谐波电压源设备的主电路图如图1 所示。其间，每个H 桥能够等效为一个可控电压源，为体系供给频率、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供给。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阻隔，再经三相不可控整流，得到逆变电路所需的安稳直流电压。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 谐波电压源设备主电路。
1. 2 谐波电压源的操控战略
双闭环PI 调理的操控器简略，具有必定的鲁棒性，在工程操控范畴得以广泛应用。因而，本文选用依据SPWM 的双闭环PI 操控战略，双闭环PI 操控的原理框图如图2 所示。图2 中，外环电压以抱负的正弦波作为参阅电压，输出电压与参阅电压比较后经PI 调理作为电流内环的参阅值，该电流参阅值与反应电流比较，再经PI 调理后与PWM 操控器中的三角波比较，发生PWM 信号驱动逆变器。
图2 电压、电流双闭环PI 操控原理框图。
本文引进负载电压瞬时值和滤波电容电流瞬时值作为反应信号，依据实践值和希望值的误差来实时操控输出电压波形，确保输出电压波形的精度，消除各种非正弦要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，非常细小的电压改变即可引起电容电流的较大动摇。因而，电容电流的引进更能使体系得到杰出的动态功能。
2 依据VHS-ADC 渠道的体系建模
依据FPGA 的VHS-ADC 高速信号处理渠道，其模型库具有丰厚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模型库是依据离散信号z 域的模型。因而，需求构建z 域电力电子仿真模型。
依据z 域的操控电路VHS-ADC 模型如图3所示。该模型主要由PWM 发生器、PI 操控模块、限幅模块和死区模块组成。三角波用Counter 计数器发生。图3 中的Gateway in 为数据转化模块，将s 域信号转化为z 域信号。
图3 操控电路VHS-ADC 模型。
电压外环PI 环节可表示为：
式中u(t)———操控量
e(t)———体系的操控误差
Ti———积分时刻
Kp———份额系数
为了树立离散域模型，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 /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:
依据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 所示。CMult为乘法器模块，巨细等于采样时刻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认，在确保仿真精度的前提下，尽量减小数据位数，节省硬件资源。
图4 电压外环PI 模型。
使用3 个加法器和1 个减法器，可完成限幅环节。减法器运算成果为负时，输出为0;运算成果为正时，输出为正常值。Constant1 和Constant2别离设置限幅模块的上、下限，限幅环节的模型如图5 所示。
图5 限幅环节模型。
使用推迟模块和逻辑模块，可设置逆变器死区时刻。输入信号通过Delay 模块，被推迟4 个采样周期时刻，再与原信号进行逻辑与运算，就可得到带有死区时刻的PWM 信号，被Delay 模块推迟的时刻便是设置的死区时刻。死区时刻模型如图6 所示。
图6 死区时刻的VHS-ADC 模型。
依托渠道供给的co-simulink 接口，将树立的离散域操控模型进行编译，并主动生成代码，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衔接。当在Simulink 中进行仿真时，FPGA 上的实时运算成果返回到Simulink 环境中，进步了仿真速度。
3 仿真成果
使用Matlab /Simulink 软件和VHS-ADC 仿真渠道，树立完好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:份额系数Kp = 13，Ki = 0. 4;电流环PI 参数：份额系数Kp = 15，Ki = 0. 2，负载R = 30 Ω;采样时刻为100 ns，单相额外输出功率为3 kVA。
稳态下，谐波电压源输出的单相基波波形如图7 所示。由于三相不可控整流供给的直流电压需求约0. 01 s 才干到达安稳，所以谐波电压源输出波形在0. 01 s 之前是逐步增大的，当直流电压安稳后，仿真波形简直与希望波形重合。
为了验证设备的谐波组成才能，将30 V 4 次谐波叠加到100 V 基波上，如图8 所示。叠加后的波形在0. 01 s 前逐步增大，在0. 01 s 后简直与希望波形堆叠;将所得波形进行傅里叶剖析，4 次谐波含量为基波的30%，其频谱剖析图如图9 所示。
图7 基波输出波形与希望波形的比照。
图8 叠加信号输出波形与希望波形的比照。
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)的巨细。仿真成果表明，谐波电压源输出21 次内的单次谐波时，其THD 不会超越1%。
上述仿真成果说明晰谐波电压源输出波形具有很高的精度，一起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。
4 结语
剖析了谐波电压源的主电路模型，探讨了依据滤波%&&&&&%电流和负载电压瞬时值的双闭环PI操控战略，使用VHS-ADC 数字信号处理体系采样率高、实时性强、建模灵敏等特色，构建离散域实时仿真操控模型。仿真成果表明，该规划办法和离散化模型是正确的，说明晰依据FPGA 进行谐波电压源研讨的可行性。
