1、1 并網(wǎng)逆變器矢量控制與直接功率控制 孫丹 浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院2 DPC 概念直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC） 采用電壓空間矢量，跳過電流控制環(huán)節(jié)，通過控制電機(jī)定子磁鏈?zhǔn)噶康拇笮『娃D(zhuǎn)速，進(jìn)而控制定、轉(zhuǎn)子磁鏈?zhǔn)噶块g夾角（轉(zhuǎn)矩角或功率角），達(dá)到直接控制轉(zhuǎn)矩的目的。因 P1 =Te1 ，對功率P1的控制即為對轉(zhuǎn)矩Te的控制 基于DTC的原理，開發(fā)出直接功率控制（DPC）技術(shù)。3DPC用途可用于交流調(diào)速傳動(dòng)，但主要用于可逆?zhèn)鲃?dòng)的網(wǎng)側(cè)變換器控制4DPC用途變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機(jī)的交流勵(lì)磁變頻器的 網(wǎng)側(cè)變換器5DPC用途光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器6DPC用途靜止無功補(bǔ)償裝置（STACOM）的 電壓源型變換器（VSC）7

2、網(wǎng)側(cè)PWM變換器網(wǎng)側(cè)PWM變換器的主電路VSC交流側(cè)（pole）交流輸入阻抗交流電網(wǎng)VSC直流側(cè)8 網(wǎng)側(cè)PWM變換器設(shè)功率器件為理想開關(guān)，由基爾霍夫電壓、電流定理可得： (3.1.1) 式中： 、 、 分別為三相橋臂的開關(guān)函數(shù)。9 網(wǎng)側(cè)PWM變換器三相無中線的系統(tǒng)中有： (3.1.2) 則 (3.1.3) 該模型對包括電網(wǎng)電壓不平衡、電壓畸變等一般情況的分析都適用。10 網(wǎng)側(cè)PWM變換器三相電網(wǎng)電壓基本平衡時(shí)： (3.1.4)則三相靜止坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型為： (3.1.5)11 網(wǎng)側(cè)PWM變換器考慮交流側(cè)輸出的線電壓為： (3.1.6) 輸出相電壓為： (3.1.7)其中 ，

3、， 12 網(wǎng)側(cè)PWM變換器則有： (3.1.8)13 網(wǎng)側(cè)PWM變換器兩相靜止-坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型 其中： 、 - 交流電網(wǎng)電壓 、 分量值； 、 - 交流輸入電流 、分量值； 、 - 變換器中三相全控橋(VSC)交流側(cè)電壓 、分量值； 、 - 開關(guān)函數(shù)的 、分量。14 網(wǎng)側(cè)PWM變換器同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型 (3.1.21) 其中： 、 -交流電網(wǎng)電壓 、軸分量； 、 -交流輸入電流 、軸分量； 、 -三相全控橋(VSC)交流側(cè)電壓 、軸分量； 、 - 開關(guān)函數(shù)的 、軸分量； - 電網(wǎng)電壓的角頻率。15 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制 為電網(wǎng)電壓矢量 將坐標(biāo)系

4、d 軸 定向于電網(wǎng)電壓矢量，則有電網(wǎng)電壓定向后 16 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制網(wǎng)側(cè)PWM變換器的穩(wěn)態(tài)分析同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，穩(wěn)態(tài)時(shí)各狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)等于零，可得穩(wěn)態(tài)方程為： (3.1.23) (3.1.24) 17 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制網(wǎng)側(cè)PWM變換器穩(wěn)態(tài)電壓空間矢量圖 (a) 一般情況 圖中， 為線路的阻抗， 為功率因數(shù)角(b) 忽略電阻且功率因數(shù)為1ig = 18網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制從圖可見，若控制交流輸入功率因數(shù)一定，則變換器交流側(cè)電壓空間矢量vg的末端將始終沿阻抗三角形的斜邊滑動(dòng) 規(guī)律： 在相同的輸出負(fù)載下(即 相同)，變換器電流含 超前電流分量( )，需要較高的直流母線電壓； 變

5、換器電流含滯后電流分量( )，需要的直流母線電壓要低一些。19網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制規(guī)律： 如忽略電阻，功率因數(shù)為1時(shí)的穩(wěn)態(tài)電壓空間矢量 關(guān)系如圖3.2(b)所示可以發(fā)現(xiàn)，輸出負(fù)載越大，所需最低直流母線電壓就越高，即使在空載時(shí)也要高于電網(wǎng)線電壓峰值，這是網(wǎng)側(cè)PWM變換器的Boost電路升壓特性決定的。20 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制網(wǎng)側(cè)PWM變換器的瞬時(shí)功率分析從電網(wǎng)吸收的有功功率和無功功率為： (3.1.30) (3.1.31)在坐標(biāo)系 d軸 定向于電網(wǎng)電壓的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)中，有：則 (3.1.32) (3.1.33)21 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制說明: 大于零表示網(wǎng)側(cè)PWM變換器工作于整

6、流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收能量； 小于零表示網(wǎng)側(cè)PWM變換器處于逆變狀態(tài)，能量從直流側(cè)回饋到電網(wǎng)。 大于零表示網(wǎng)側(cè)PWM變換器呈容性，從電網(wǎng)吸收超前的無功； 小于零表示網(wǎng)側(cè)PWM變換器呈感性，從電網(wǎng)吸收滯后的無功?？梢姡弘娏魇噶康膁、 q軸分量 和 實(shí)際上分別代表了變換器的有功電流分量和無功電流分量。22 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制單位功率因數(shù)整流工況時(shí)的功率流向 (a) 整流運(yùn)行 圖3.3 網(wǎng)側(cè)PWM變換器在單位功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)的功率流動(dòng)示意圖 - 電網(wǎng)提供的有功功率； - 直流側(cè)負(fù)載功率； - 交流側(cè)線路電阻功耗； - 變換器開關(guān)和導(dǎo)通損耗 - 直流母線電容等效并聯(lián)電阻損耗、電容充放電功率圖3.3(b

7、)表示由直流側(cè)有源負(fù)載提供的有功功率回饋給電網(wǎng)并補(bǔ)償各種損耗功率的情況。(b)逆變運(yùn)行23 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制忽略各種損耗后，變換器的直流側(cè)與交流側(cè)的功率平衡關(guān)系： (3.1.34) 由式 (3.1.25)可得： (3.1.35) 24 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制功率方程變?yōu)椋?(3.1.36) (3.1.37) 表明：調(diào)節(jié)變換器交流側(cè)電壓空間矢量的兩個(gè)分量，可以調(diào)節(jié)變換器從電網(wǎng)吸收的有功和無功分量，使變換器在不同的有功、無功狀態(tài)下作四象限運(yùn)行。- igq- igd25 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制概況網(wǎng)側(cè)PWM變換器的主要的功能是保持直流母線電壓的穩(wěn)定、輸入電流正弦和控制

8、輸入功率因數(shù)。直流母線電壓的穩(wěn)定與否取決于交流側(cè)與直流側(cè)的有功功率是否平衡。如果能有效地控制交流側(cè)輸入有功功率，則能保持直流母線電壓的穩(wěn)定。由于電網(wǎng)電壓基本上恒定，所以對交流側(cè)有功功率的控制實(shí)際上就是對輸入電流有功分量的控制。輸入功率因數(shù)的控制實(shí)際上就是對輸入電流無功分量的控制，輸入電流波形正弦與否主要與電流控制的有效性和調(diào)制方式有關(guān)。 因此，整個(gè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制系統(tǒng)可以分為兩個(gè)環(huán)節(jié):電壓外環(huán)控制及電流內(nèi)環(huán)控制，如圖3.4所示。26 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制圖3.4 網(wǎng)側(cè)PWM變換器電流閉環(huán)控制系統(tǒng) 電流開環(huán)控制也稱為間接電流控制，根據(jù)網(wǎng)側(cè)PWM變換器的穩(wěn)態(tài)方程設(shè)計(jì)，無電流傳感器，成本較

9、低，其靜態(tài)特性好，控制結(jié)構(gòu)簡便，但在暫態(tài)過程中有近100%的電流超調(diào)和劇烈振蕩，無法實(shí)用。27 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制電流閉環(huán)控制器種類很多可以把網(wǎng)側(cè)PWM變換器交流側(cè)主電路看成一臺虛擬的交流電機(jī)來分析。圖3.5 網(wǎng)側(cè)PWM變換器交流側(cè)主電路等效虛擬交流電機(jī)定子繞組示意圖28 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制凡是用于PWM逆變器供電交流電機(jī)的高性能控制方法大都均可應(yīng)用于網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制。如:電網(wǎng)電壓定向矢量控制(Voltage Oriented Control (VOC) ); 電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制(Flux Oriented Control (FOC) );虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制(Virt

10、ual Flux Oriented Control (VFOC); 直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control (DTC);直接功率控制(Direct Power Control (DPC) 等。29 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制與PWM逆變器驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)控制之間的關(guān)系 網(wǎng)側(cè)VSC機(jī)側(cè)VSC 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制在網(wǎng)側(cè)PWM變換器的電流控制中，以電網(wǎng)電壓矢量 d軸定向的電壓電流雙閉環(huán)控制最為廣泛。為省掉電壓傳感器，也可以采用虛擬電網(wǎng)磁鏈定向。圖3.21 虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的無電網(wǎng)電壓傳感器網(wǎng)側(cè)PWM變換器矢量控制框圖圖中，利用兩相電流和橋臂的開關(guān)信號估計(jì)出虛擬電

11、網(wǎng)磁鏈的、分量，進(jìn)而得到的正弦、余弦值，以此進(jìn)行坐標(biāo)變換。31 網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制圖中，利用兩相電流和橋臂的開關(guān)信號估計(jì)出虛擬電網(wǎng)磁鏈的、分量；進(jìn)而得到的正弦、余弦值；以此進(jìn)行坐標(biāo)變換，獲得無電網(wǎng)電壓傳感器的d 軸虛擬磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系統(tǒng)，據(jù)此實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的矢量控制。圖3.19 d 軸虛擬電網(wǎng)磁鏈定向的網(wǎng)側(cè)PWM變換器 穩(wěn)態(tài)矢量圖32VSC VOC 策略網(wǎng)側(cè)PWM變換器(VSC)傳統(tǒng)控制方式 - 矢量變換控制(VOC)原理: 將VSC網(wǎng)側(cè)交流電流分解成有功、無功分量，采用2個(gè)PI電流調(diào)節(jié)器控制2分量電流，實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的間接控制缺點(diǎn): 有復(fù)雜的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換； 電流調(diào)節(jié)器整定難，特

12、性受運(yùn)行狀態(tài)變化大； 電網(wǎng)電壓不平衡時(shí)必須分解成正負(fù)序兩套系統(tǒng)下實(shí)施d-q解耦控制； PI為線性控制器難滿足非線性系統(tǒng)的優(yōu)化控制。33VSC DPC 策略（傳統(tǒng)）DPC策略根據(jù)： 瞬時(shí)有功、無功功率的誤差 VSC交流側(cè)電壓矢量的空間位置 采取二位滯環(huán)調(diào)節(jié)器，從優(yōu)化的開關(guān)表中選擇VSC三相開 關(guān)狀態(tài)（即電壓空間矢量），直接控制產(chǎn)生的瞬時(shí)功率大小，達(dá)到消除功率誤差的目的。優(yōu)點(diǎn)： 功率調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 無需矢量旋轉(zhuǎn)變換、線性PI調(diào)節(jié)器及其引發(fā)缺陷 能適應(yīng)不平衡電壓下的控制34VSC DPC 策略缺點(diǎn)： 靜態(tài)性能優(yōu)劣取決滯環(huán)調(diào)節(jié)器帶寬，有靜動(dòng)態(tài)特性矛盾 VSC開關(guān)頻率不恒定，帶來濾波器設(shè)計(jì)困難、電流波形

13、畸變、損耗發(fā)熱及冷卻有問題 動(dòng)態(tài)性能還與電網(wǎng)、負(fù)載及運(yùn)行工況有關(guān)擺脫滯環(huán)控制器及查表方式的傳統(tǒng)DTC策略，采用 定頻后計(jì)算各矢量的優(yōu)化作用順序及時(shí)間，實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率 恒定、功率波動(dòng)小、電流畸變小的新型DTC策略 -預(yù)測直接功率控制（Predicted Direct Power Control - P-DPC） 35VSC DPC 策略瞬時(shí)有功、無功功率定義并網(wǎng)VSC電壓、磁鏈關(guān)系 (1) (2) (3)并網(wǎng)VSC等值電路 (a) 靜止坐標(biāo)系36VSC DPC 策略 (b) 同步速d-q坐標(biāo)系 同步速d-q坐標(biāo)系內(nèi)VSC電路方程 (4) (5) (6)37VSC DPC 策略當(dāng)坐標(biāo)系d軸定向在定子

14、磁鏈?zhǔn)噶縮上時(shí) 有 (7) (8) Fig. 2 同步速坐標(biāo)系中電網(wǎng) 及網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)磁鏈?zhǔn)噶?8VSC DPC 策略從電網(wǎng)輸入的有功、無功功率 則 (10) (9) 說明: 控制d、q軸VSC磁鏈cq、cd, 可以獨(dú)立地控制Ps、Qs00039VSC DPC 策略傳統(tǒng)DPC策略當(dāng)sd、1恒定時(shí) (11)說明: 有功Ps、無功Qs的變化取決于 d、q軸VSC磁鏈cq、cd, 的變化根據(jù) , 有 離散化 (12)說明：控制所施加的電壓矢量, 可控制磁鏈的變化； 磁鏈?zhǔn)噶垦厮┘拥碾妷菏噶糠较蜻\(yùn)動(dòng)； 運(yùn)動(dòng)速度正比于電壓矢量的大小。40VSC DPC 策略 對于三相、二電平VSC，共有6個(gè)有效電壓

15、矢量，二個(gè)零電 壓矢量 (a) 圖3(a) 兩電平變換器 (b) 電壓空間矢量及其扇區(qū)劃分(b)41VSC DPC 策略如果電網(wǎng)磁鏈?zhǔn)噶縮的空間位置己知，則每個(gè)電壓矢量對VSC磁鏈分量cq、cd 的作用效果就可決定，繼而可決定出對有功、無功功率的影響按此原則可規(guī)劃出優(yōu)化開關(guān)表，決定出減少有功、無功功率控制誤差的最佳電壓空間矢量 - 傳統(tǒng)查表法LUT-DPC策略42VSC DPC 策略查表法（Look-Up-Table ）LUT DPC依據(jù): (13)電壓空間矢量平面均分 6 或12 等分(區(qū)間) 根據(jù)電源磁鏈?zhǔn)噶縮的空間 位置, 可確定出各電壓矢量 對VSC磁鏈分矢量cq、cd 的影響, 繼而

16、確定出對有功、 無功功率Ps、Qs的影響Fig. 3 d-q 及-坐標(biāo)系電網(wǎng)及網(wǎng)側(cè)變換器磁鏈空間矢量43VSC DPC 策略 實(shí)測有功功率Ps、無功功率Qs，分別與其指令值P*s、Q*s相比較，其誤差經(jīng)滯環(huán)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)，分別輸出有功功率控制信號SP、無功功率控制信號SQ 定義： (14) Fig. 4 Schematic diagram of LUT-DPC for DC/AC converters44VSC DPC 策略按此原則可規(guī)劃出優(yōu)化開關(guān)表，決定出減少有功、無功功率控制誤差的最佳電壓空間矢量 - 傳統(tǒng)查表法LUT-DPC策略區(qū)間（）優(yōu)化電壓空間矢量表表一：優(yōu)化開關(guān)表Sq-101 Sp-1

17、V2V2 / V6V60V3V0 / V7V4 1V1V0 / V7V545VSC DPC 策略 說明： 根據(jù): P Sp cq V Q Sq cd V 有: V3: cd 0 Q 0 P 0 Sp = -1 V1: cd 0 Q 0 Sq = -1 cq = 0 P = 0 Sp = 0 V5: cd 0 Q 0 Sq = -1 cq 0 Sp = 1Sq-101Sp-1V3V3 / V2V20V1V0 / V7V6 1V5V0 / V7V4區(qū)間（II）46VSC DPC 策略 Sq = 0 Q = 0 時(shí), 選用只改變一橋臂元件的電壓矢量, 以降低開關(guān)頻率。此時(shí)一般采用零矢量，但V0/V7

18、 則按開關(guān)次數(shù)少者選用。 若Sp = -1 P 0 Ps V3d0 Qs 70預(yù)測DPC 策略Fig. 4 power variation under different voltage vector sequences71預(yù)測DPC 策略安排規(guī)律： （A）序列A：兩相鄰采樣周期Ts內(nèi)，電壓矢量順序相同。 (B) 序列B：兩相鄰采樣周期Ts內(nèi)，有效電壓矢量順序相反, 但只用V0 (C) 序列C：兩相鄰采樣周期Ts內(nèi)，電壓矢量順序相反, V0 、V7 交替使 用。效果: 采樣周期Ts終點(diǎn), 瞬時(shí)PS、QS均被調(diào)制到指令值PS*、QS* 。 但： 序列A：PS、QS平均值不等于PS*、QS* ，特

19、別是PS； 序列B、C：因2Ts內(nèi)波形對稱，PS、QS平均值等于PS*、QS*； 序列C：因Ts終點(diǎn)插入V7 ，有功PS波動(dòng)?。?三種序列有相同的無功QS波動(dòng)。72預(yù)測DPC 策略原因分析：某電壓矢量作用下的功率波動(dòng)可通過改寫式（18）來預(yù)測，即用 （25）對于零矢量, Vcd = Vcq = 0 , 則有 (26) 由于LsIs遠(yuǎn)比電源磁鏈s 小, 則零矢量作用下PS 0( PS增大), 而QS 0 (QS不變)0073預(yù)測DPC 策略分析V2、V3作用 因 V2q、V3q 0 PS 0 QS 0 QS V3d 0 QS 0 QS 故V2、V3作用PS 、QS 曲線走勢如圖(圖)74預(yù)測DP

20、C 策略仿真研究系統(tǒng)參數(shù)Rated line-to-line voltage (rms):138 VRated power500 WSource frequency50 HzLine reactor resistance R0.1 Line reactor inductance Ls0.006 HDC link voltage250 VFilter capacitor40 F開關(guān)頻率2.5kHz, 采樣頻率5kHzTable I Parameters used in simulated vsc system VSC75預(yù)測DPC 策略動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig. 5 (A) Various active

21、and reactive power steps (a): Active power input; (b) Reactive power input; (c) Three Phase line currents; Ps = -300W (VSC輸出) 0 +300W (VSC輸入) Qs = -300Var (感性) 0 +300Var (容性)PsQsThree Phase line currents P、Q解耦性好 2Ts內(nèi)P、Q波形(圖5(B) 與序列C分析(圖4) 吻合76預(yù)測DPC 策略實(shí)驗(yàn)研究 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 6 Experimental setup77預(yù)測DPC 策略動(dòng)態(tài)響應(yīng)

22、(A) Proposed DPC (B) Traditional vector control (a) Active power step from 300 W to -300 W Fig. 7 Experimental results under various active and reactive power steps: (1) Active power Input (1 kW/div); (2) Reactive power input (1 kVAr/div); (3) Phase A voltage (100 V/div); (4) Phase A current (5 A/di

23、v). PsQs78預(yù)測DPC 策略 (A) Proposed DPC (B) Traditional vector control ( b) Reactive power Step from 300 VAr to -300 VAr Fig. 7 Experimental results under various active and reactive power steps: (1) Active power Input (1 kW/div); (2) Reactive power input (1 kVAr/div); (3) Phase A voltage (100 V/div); (

24、4) Phase A current (5 A/div). PsQs79預(yù)測DPC 策略跟蹤性能 P*S、Q*S為 20Hz, 300 VA交流指令, PS、QS 跟蹤誤差小(A) Active power variation, (1): Active power reference (1 kW/div); (2) Measured active power (1 kW/div); (3) Phase a voltage (100 V/div); (4) Phase a current (5 A/div); (5) Active power error (1 kW/div); (B) Reac

25、tive power variation, (1): Reative power reference (1 kVAr/div); (2) Measured reactive power (1 kVAr/div); (3) Phase a voltage (100 V/div); (4) Phase a current (5 A/div). (5) Reactive power error (1 kVAr/div); Fig. 8 Experimental results showing the tracking of varying active and reactive power refe

26、rences P*SQ*SPSQSPerrorQerror80預(yù)測DPC 策略恒頻特性驗(yàn)證 Fig. 9 Experiment line current harmonic spectrum of the proposed CSF DPC 線電流頻譜表明主體頻率為2.5kHz(開關(guān)頻率)及其倍頻81VSC DPC 策略REFERENCES1 Dawei Zhi, Lie Xu, et al., New Direct Power Control Strategy for Grid Connected Voltage Source Converters , Proc. ICEMS, 2008.2 L

27、. Xu, D. Zhi, and L.Y. Liao Direct Power Control of Grid Connected Voltage Source Converters, Proc. IEEE PES GM, 2007.3 D. Zhi, L. Xu, and J. Morrow, Improved Direct Power Control of Doubly-Fed Induction Generator Based Wind Energy System Proc. IEMDC, 2007 4 L. Xu and P. Cartwright, Direct Active an

28、d Reactive Power Control of DFIG for Wind Energy Generation IEEE Trans. Energy Conversion, Vol. 21, No. 3, Sept. 2006, pp. 750-758. 5 D. Zhi and L. Xu, Direct power control of DFIG with constant switching frequency and improved transient performance, IEEE Trans. Energy Conversion, vol. 22, no. 1, Ma

29、r. 2007, pp. 110118. 82VSC DPC 策略REFERENCES6 H. Akagi, Y. Kanazawa and A. Nabae, Generalized Theory of the Instantaneous Reactive Power in Three-Phase Circuits, Proc. Int. Power Electron. Conf, 1983, pp. 1375-1386.7 M. P. Kazmierkowski and L. Malesani, Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters: A survey, IEEE Trans. Industrial Electronice, vol. 45, Oct. 1998, pp. 691703. 8 T. Noguchi, H. Tomiki, S. Kondo and I. Takahashi, Direct power control of PWM converter with