基于變換器的分段式直接功率控制

黃晶晶　孫元崗　同向前　張愛(ài)民　王在福

（1. 西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院　西安　710048 2. 西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院　西安　710049）

基于變換器的分段式直接功率控制

黃晶晶1孫元崗1同向前1張愛(ài)民2王在福2

（1. 西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院西安710048 2. 西安交通大學(xué)電子與信息工程學(xué)院西安710049）

采用傳統(tǒng)直接功率控制（DPC）方法的變換器裝置很難兼顧系統(tǒng)不同運(yùn)行階段的控制要求，為此，提出了一種基于多開(kāi)關(guān)表的分段式DPC控制方法。該方法統(tǒng)籌考慮了系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了四種開(kāi)關(guān)表，根據(jù)系統(tǒng)不同階段的控制要求選擇最佳開(kāi)關(guān)狀態(tài)。與傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，采用分段式DPC控制的變換器裝置起動(dòng)時(shí)間減少10%以上，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)交流側(cè)電流諧波總畸變率（THD）降低30%以上，直流側(cè)電壓的暫態(tài)響應(yīng)時(shí)間減少27.3%以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了分段式DPC控制方法的可行性和有效性。

變換器直接功率控制分段控制總諧波畸變率開(kāi)關(guān)表

0　引言

經(jīng)過(guò)幾十年的研究和發(fā)展，三相電壓型變換器（Voltage Source Converter，VSC）主電路已從早期的半控型器件橋路發(fā)展到如今的全控型器件橋路［1，2］，消除了傳統(tǒng)意義上的整流電路造成的諧波含量大、功率因數(shù)低和能量不能回饋等問(wèn)題。隨著對(duì)電力系統(tǒng)中無(wú)功功率補(bǔ)償、諧波抑制等問(wèn)題的深入研究，目前VSC已被廣泛用于改造電網(wǎng)污染，提高電能利用率和新能源并網(wǎng)控制等方面［3，4］，具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的研究?jī)r(jià)值。

VSC主要有兩大控制目標(biāo)：①穩(wěn)定直流側(cè)輸出電壓；②實(shí)現(xiàn)交流側(cè)輸入電壓與輸入電流的相位控制［5-7］。為實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo)，VSC控制系統(tǒng)通常采用雙閉環(huán)控制，外環(huán)以直流電壓作為控制變量，內(nèi)環(huán)以交流側(cè)電流或者 VSC系統(tǒng)與電網(wǎng)所交換的瞬時(shí)功率為控制變量（即電流控制和直接功率控制）［8-11］。由于直接功率控制（Direct Power Control，DPC）與電流控制相比，不需要對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行鎖相，結(jié)構(gòu)和算法都更簡(jiǎn)單，被控量—— 瞬時(shí)功率中不僅含有交流側(cè)電流的信息，還含有電網(wǎng)電壓的信息，具有出色的動(dòng)態(tài)性能。而且更為有利的是，與交流側(cè)電流作為控制對(duì)象時(shí)受坐標(biāo)變換影響不同，瞬時(shí)功率可以不受坐標(biāo)變換的影響，在不同的坐標(biāo)系下其穩(wěn)態(tài)值均是恒定的，可以當(dāng)作直流量進(jìn)行控制，大大提高了系統(tǒng)分析和實(shí)現(xiàn)的靈活性，逐漸成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)［12-14］。

傳統(tǒng)DPC控制存在無(wú)功功率周期性波動(dòng)問(wèn)題。為此，文獻(xiàn)［15，16］給出一種優(yōu)化開(kāi)關(guān)表設(shè)計(jì)方案，但該方法對(duì)有功功率的調(diào)節(jié)能力較弱，系統(tǒng)損耗較高。為了同時(shí)得到有效的有功和無(wú)功調(diào)節(jié)，文獻(xiàn)［17］分別設(shè)計(jì)了有功開(kāi)關(guān)表和無(wú)功開(kāi)關(guān)表，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)來(lái)選擇兩開(kāi)關(guān)表的作用時(shí)間，但該方法忽略了實(shí)際系統(tǒng)的損耗?？梢?jiàn)采用不同的開(kāi)關(guān)表會(huì)得到不同的控制效果，因此，如何兼顧系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)，得到最佳的開(kāi)關(guān)表將是DPC在實(shí)際應(yīng)用中必須解決的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)DPC控制存在的上述問(wèn)題，本文將引入分段控制的思想，針對(duì)系統(tǒng)處于不同運(yùn)行階段的控制要求，提出一種基于多開(kāi)關(guān)表的分段式DPC控制方法，給出有功調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)表、無(wú)功調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)表以及兼顧有功和無(wú)功調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)表，根據(jù)系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)選擇最佳的開(kāi)關(guān)表及開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該方法的有效性。

1　傳統(tǒng)DPC控制的問(wèn)題分析

圖 1所示為 VSC主電路結(jié)構(gòu)， Ls為交流側(cè)濾波電感為交流線路的等效電阻分別為三相電源電壓在dq坐標(biāo)系下的dq軸分量分別為三相交流側(cè)電流在dq坐標(biāo)系下的dq軸分量分別為變換器交流側(cè)輸入電壓在dq坐標(biāo)系下的dq軸分量為直流側(cè)電容電壓代表六只IGBT開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)表示開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通；表示開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。其中

圖1　VSC主電路結(jié)構(gòu)Fig.1　Main circuit structure of VSC

忽略等效電阻Rs，可以得到 VSC的交流側(cè)電壓矢量方程為

可以推導(dǎo)出VSC的功率表達(dá)式為［14］

式中， ps為系統(tǒng)有功功率； qs為系統(tǒng)無(wú)功功率；電網(wǎng)頻率f為50Hz；在dq坐標(biāo)系下以ω=2πf的角速度與電源電壓同步旋轉(zhuǎn)。

對(duì)于本文所研究的VSC而言，在任意時(shí)刻，總有三只開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通，且上下兩只開(kāi)關(guān)管不能同時(shí)導(dǎo)通。因此，開(kāi)關(guān)狀態(tài)共有8種組合，每一種開(kāi)關(guān)組合對(duì)應(yīng)一個(gè)電壓矢量所以本文又將其稱為開(kāi)關(guān)矢量這些開(kāi)關(guān)矢量可以分為兩類：①零開(kāi)關(guān)矢量和②非零開(kāi)關(guān)矢量

開(kāi)關(guān)表設(shè)計(jì)是整個(gè)DPC控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表Ⅰ見(jiàn)表1表示需要增加有功（無(wú)功）功率表示需要減小有功（無(wú)功）功率表示將電源電壓矢量所在區(qū)域劃分為12個(gè)區(qū)間。表1中，當(dāng)時(shí)，多次給出了零開(kāi)關(guān)矢量，此時(shí)系統(tǒng)側(cè)和直流側(cè)之間沒(méi)有能量交換，加上系統(tǒng)中線路和開(kāi)關(guān)器件所造成的損耗，只會(huì)加劇有功功率偏差。此外，零開(kāi)關(guān)矢量對(duì)無(wú)功功率的調(diào)節(jié)方向是不確定的?？梢?jiàn)，采用傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表Ⅰ的DPC系統(tǒng)不僅對(duì)有功功率的調(diào)節(jié)能力較弱，且存在無(wú)功功率波動(dòng)的問(wèn)題。

表1　傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)表ⅠTab.1　Classical switching tableⅠ

2　分段式DPC控制

2.1開(kāi)關(guān)表設(shè)計(jì)原理

圖2　DPC系統(tǒng)的空間矢量圖Fig.2　Space vector diagram of DPC system

對(duì)式（3）積分后，可得

（1）以有功功率調(diào)節(jié)為目標(biāo)。如果在某段時(shí)間內(nèi)，無(wú)功功率偏差被限制在一定范圍內(nèi)，而有功功率的偏差均較大，此時(shí)需要以快速的有功調(diào)節(jié)為目標(biāo)，DPC系統(tǒng)要加大有功功率的調(diào)節(jié)強(qiáng)度。可以總結(jié)出以有功功率調(diào)節(jié)為目標(biāo)的開(kāi)關(guān)表Ⅱ，見(jiàn)表2。

表2　開(kāi)關(guān)表ⅡTab.2　Switching tableⅡ

表3　開(kāi)關(guān)表ⅢTab.3　Switching table Ⅲ

（3）以兼顧有功、無(wú)功調(diào)節(jié)為目標(biāo)。上述開(kāi)關(guān)表Ⅱ主要用于調(diào)節(jié)有功功率，單獨(dú)使用時(shí)，無(wú)功功率處于不控狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)急劇降低。而無(wú)功功率的失控反過(guò)來(lái)又會(huì)影響有功功率跟蹤期望值的能力。如果只采用以無(wú)功功率調(diào)節(jié)為主的開(kāi)關(guān)表Ⅲ，雖然可以有效提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，但失去了對(duì)有功功率的調(diào)節(jié)，最終導(dǎo)致直流側(cè)電壓不可控。所以開(kāi)關(guān)表Ⅱ和表Ⅲ在使用時(shí)都有一定的條件限制，當(dāng)有功功率偏差和無(wú)功功率偏差均較大時(shí)，上述開(kāi)關(guān)表就不再適用。

由于各開(kāi)關(guān)矢量增加有功功率的能力強(qiáng)于減小有功功率的能力，增加無(wú)功功率的能力等于減弱無(wú)功功率的能力［14］，所以開(kāi)關(guān)表Ⅳ的設(shè)計(jì)原則如下：

采用該方法，可以得到兼顧有功、無(wú)功調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)表Ⅳ見(jiàn)表4。

表4　開(kāi)關(guān)表ⅣTab.4　Switching table Ⅳ

圖3　分段式DPC控制系統(tǒng)框圖Fig.3　System block diagram of sectional DPC control

2.2分段控制原理

為了解決傳統(tǒng) DPC系統(tǒng)存在的無(wú)功功率周期性波動(dòng)問(wèn)題，本文提出一種基于多開(kāi)關(guān)表的分段式DPC控制方法，綜合考慮系統(tǒng)處于不同運(yùn)行狀態(tài)下的控制需求。圖3給出了分段式DPC控制系統(tǒng)框圖，與傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的主要區(qū)別在于功率內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)。所提方法首先設(shè)置瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的偏差限值之后，根據(jù)瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率的偏差與其偏差限值之間的關(guān)系完成開(kāi)關(guān)表的選擇。

需要注意的是：在選擇開(kāi)關(guān)表時(shí)，不能因?yàn)楫?dāng)前采樣周期得到的S值與上一采樣周期不同就直接切換開(kāi)關(guān)表，應(yīng)持續(xù)檢測(cè)一段時(shí)間。如果在這段時(shí)間內(nèi)的S值恒定，再切換成該S值對(duì)應(yīng)的開(kāi)關(guān)表，以避免系統(tǒng)失控問(wèn)題。此外，瞬時(shí)功率偏差限值 PL、QL的最優(yōu)值需要根據(jù)裝置參數(shù)和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)整。為了驗(yàn)證分段式DPC控制實(shí)現(xiàn)多開(kāi)關(guān)表的無(wú)縫切換可能性，即系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)控制性能是否得到有效改善，下文將從仿真和實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行分析。

3　仿真和實(shí)驗(yàn)

3.1仿真

根據(jù)圖3所示的系統(tǒng)框圖，在Matlab/Simulink下建立其仿真模型。系統(tǒng)具體參數(shù)為：交流側(cè)相電壓峰值Um=200V，濾波電感Ls=2mH，交流側(cè)等效電阻 Rs=0.5Ω，直流側(cè)電容 C=2 000μF，直流側(cè)負(fù)載取 40Ω電阻，令直流側(cè)初始電壓給定值為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出分段式 DPC控制的優(yōu)越性，建立傳統(tǒng)DPC控制的仿真模型，主電路參數(shù)與以上參數(shù)保持一致。對(duì)系統(tǒng)起動(dòng)瞬間以及到達(dá)穩(wěn)態(tài)的典型仿真事件進(jìn)行對(duì)比。

采用分段式DPC控制和傳統(tǒng)DPC控制的直流側(cè)電壓響應(yīng)波形如圖4所示，初始電壓由系統(tǒng)預(yù)充電獲得。傳統(tǒng)DPC控制下的直流側(cè)電壓到達(dá)穩(wěn)態(tài)需要11ms，而分段式DPC控制只需要10ms以下，起動(dòng)時(shí)間減少了10%以上，且電壓的跟蹤過(guò)程較平滑。

圖4　起動(dòng)時(shí)，兩種DPC控制下的直流側(cè)電壓波形Fig.4　In the start， DC voltage waveforms under two DPC methods

分段式 DPC控制下的交流側(cè)電流在起動(dòng)瞬間有效地避免了傳統(tǒng) DPC控制中電流在 0.005s發(fā)生的波動(dòng)問(wèn)題，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程更平穩(wěn)，且能夠更快地到達(dá)穩(wěn)態(tài)，具體如圖5所示。

圖5　起動(dòng)時(shí)，兩種DPC控制下的交流側(cè)電流波形Fig.5　In the start， AC current waveforms under two DPC methods

3.2實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)裝置如圖6所示，其中電路參數(shù)與仿真部分的參數(shù)保持一致?？刂蒲b置主CPU采用TI公司的DSPTMS320F28335。利用安捷倫示波器和FLUKE430電能質(zhì)量分析儀來(lái)觀察和分析實(shí)驗(yàn)波形。

圖6　實(shí)驗(yàn)裝置Fig.6　Experimental apparatus

3.2.1穩(wěn)態(tài)波形對(duì)比

正常運(yùn)行條件下，分段式DPC控制和傳統(tǒng)DPC控制下的電壓、電流波形分別如圖7a和圖7b所示。圖中，傳統(tǒng)DPC控制下的電流THD值為5.6%；而采用所提出的分段式DPC控制時(shí)，交流側(cè)電流較平滑，電流THD值僅為3.8%，降低了32.1%，電流質(zhì)量更佳。該對(duì)比結(jié)果進(jìn)一步表明，所提出的分段式DPC控制策略在穩(wěn)態(tài)時(shí)的電流調(diào)節(jié)能力更強(qiáng)。

圖7　兩種DPC控制下的電壓、電流波形Fig.7　Voltage and current waveforms under two DPC methods

3.2.2暫態(tài)性能分析

下面分三種情況來(lái)進(jìn)一步分析分段式 DPC控制和傳統(tǒng)DPC控制下直流側(cè)電壓的暫態(tài)響應(yīng)性能。

通過(guò)與傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的以上仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以得出分段式DPC控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：①直流電壓響應(yīng)速度更快、動(dòng)態(tài)性能更為出色；②可以使VSC系統(tǒng)獲得更高質(zhì)量的電流波形。

圖8　兩種DPC控制下的直流側(cè)電壓暫態(tài)響應(yīng)波形Fig.8　Transient DC voltage waveforms under two DPC methods

4　結(jié)論

考慮到系統(tǒng)處于不同運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的控制要求有所區(qū)別，為了獲得最佳的系統(tǒng)性能，本文將分段控制思想應(yīng)用到直接功率控制中，提出了基于多開(kāi)關(guān)表的分段式 DPC控制方法，給出了有功調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)表、無(wú)功調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)表以及兼顧有功和無(wú)功調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)表，根據(jù)系統(tǒng)處于不同階段時(shí)的控制需求，完成開(kāi)關(guān)表及開(kāi)關(guān)狀態(tài)的選擇。與傳統(tǒng)DPC系統(tǒng)的仿真和實(shí)驗(yàn)對(duì)比進(jìn)一步說(shuō)明了該分段式 DPC控制方法不僅具有更為出色的動(dòng)態(tài)性能，而且具有更高的穩(wěn)態(tài)控制準(zhǔn)確度，對(duì)于DPC控制方法的推廣應(yīng)用具有積極作用。

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Sectional Direct Power Control for Converter

Huang Jingjing1Sun Yuangang1Tong Xiangqian1Zhang Aimin2Wang Zaifu2
（1. School of Automation and Information EngineeringXi'an University of Technology Xi'an710048China 2. School of Electronics and Information EngineeringXi'an Jiaotong University Xi'an710049China）

It is difficult for the classical direct power control （DPC） to satisfy the control requirements of converter under different operation conditions. A novel multi-switching-table based sectional DPC method is therefore proposed in this paper. Four switching tables， which considerate the performance indicators comprehensively， are designed. The best switching states can be acquired according to the different control requirements. The simulation and experiment show that， compared with the classical DPC， the starting time of the converter is reduced at least 10%， the current total harmonic distortion （THD） at the steady state is reduced at least 30%， and the transient setting time of the DC voltage is shortened at least 27.3%. The feasibility and effectiveness of the proposed sectional DPC method are verified.

Converter， direct power control， sectional control， total harmonic distortion， switching table

TN624

黃晶晶女，1986年生，博士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c智能控制技術(shù)。

E-mail： hjj7759@163.com（通信作者）

孫元崗男，1985年生，工程師，研究方向?yàn)楦哳l電源和無(wú)功補(bǔ)償。

E-mail： sunyg1985@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金（51507138），陜西省教育廳專項(xiàng)科研基金（15JK1502）和陜西省重大科技創(chuàng)新項(xiàng)目專項(xiàng)資金（2008ZKC01-09）資助。

2014-05-28改稿日期 2014-07-26