基于變換器的分段式直接功率控制

黃晶晶　孫元崗　同向前　張愛民　王在福

（1. 西安理工大學自動化與信息工程學院　西安　710048 2. 西安交通大學電子與信息工程學院　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張愛民2王在福2

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

采用傳統直接功率控制（DPC）方法的變換器裝置很難兼顧系統不同運行階段的控制要求，為此，提出了一種基于多開關表的分段式DPC控制方法。該方法統籌考慮了系統的各項性能指標，設計實現了四種開關表，根據系統不同階段的控制要求選擇最佳開關狀態。與傳統DPC系統的仿真和實驗對比表明，采用分段式DPC控制的變換器裝置起動時間減少10%以上，穩態運行時交流側電流諧波總畸變率（THD）降低30%以上，直流側電壓的暫態響應時間減少27.3%以上，進一步驗證了分段式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關表

0　引言

經過幾十年的研究和發展，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展到如今的全控型器件橋路［1，2］，消除了傳統意義上的整流電路造成的諧波含量大、功率因數低和能量不能回饋等問題。隨著對電力系統中無功功率補償、諧波抑制等問題的深入研究，目前VSC已被廣泛用于改造電網污染，提高電能利用率和新能源并網控制等方面［3，4］，具有廣泛的應用前景和重要的研究價值。

VSC主要有兩大控制目標：①穩定直流側輸出電壓；②實現交流側輸入電壓與輸入電流的相位控制［5-7］。為實現上述控制目標，VSC控制系統通常采用雙閉環控制，外環以直流電壓作為控制變量，內環以交流側電流或者 VSC系統與電網所交換的瞬時功率為控制變量（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，不需要對電網電壓進行鎖相，結構和算法都更簡單，被控量—— 瞬時功率中不僅含有交流側電流的信息，還含有電網電壓的信息，具有出色的動態性能。而且更為有利的是，與交流側電流作為控制對象時受坐標變換影響不同，瞬時功率可以不受坐標變換的影響，在不同的坐標系下其穩態值均是恒定的，可以當作直流量進行控制，大大提高了系統分析和實現的靈活性，逐漸成為國內外學者的研究熱點［12-14］。

傳統DPC控制存在無功功率周期性波動問題。為此，文獻［15，16］給出一種優化開關表設計方案，但該方法對有功功率的調節能力較弱，系統損耗較高。為了同時得到有效的有功和無功調節，文獻［17］分別設計了有功開關表和無功開關表，根據系統當前狀態來選擇兩開關表的作用時間，但該方法忽略了實際系統的損耗?？梢姴捎貌煌拈_關表會得到不同的控制效果，因此，如何兼顧系統各項性能指標，得到最佳的開關表將是DPC在實際應用中必須解決的一個關鍵問題。

針對DPC控制存在的上述問題，本文將引入分段控制的思想，針對系統處于不同運行階段的控制要求，提出一種基于多開關表的分段式DPC控制方法，給出有功調節開關表、無功調節開關表以及兼顧有功和無功調節的開關表，根據系統的不同運行狀態選擇最佳的開關表及開關狀態，并通過仿真和實驗來驗證該方法的有效性。

1　傳統DPC控制的問題分析

圖 1所示為 VSC主電路結構， Ls為交流側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坐標系下的dq軸分量分別為三相交流側電流在dq坐標系下的dq軸分量分別為變換器交流側輸入電壓在dq坐標系下的dq軸分量為直流側電容電壓代表六只IGBT開關管的工作狀態表示開關管導通；表示開關管關斷。其中

圖1　VSC主電路結構Fig.1　Main circuit structure of VSC

忽略等效電阻Rs，可以得到 VSC的交流側電壓矢量方程為

可以推導出VSC的功率表達式為［14］

式中， ps為系統有功功率； qs為系統無功功率；電網頻率f為50Hz；在dq坐標系下以ω=2πf的角速度與電源電壓同步旋轉。

對于本文所研究的VSC而言，在任意時刻，總有三只開關管同時導通，且上下兩只開關管不能同時導通。因此，開關狀態共有8種組合，每一種開關組合對應一個電壓矢量所以本文又將其稱為開關矢量這些開關矢量可以分為兩類：①零開關矢量和②非零開關矢量

開關表設計是整個DPC控制系統的關鍵。傳統開關表Ⅰ見表1表示需要增加有功（無功）功率表示需要減小有功（無功）功率表示將電源電壓矢量所在區域劃分為12個區間。表1中，當時，多次給出了零開關矢量，此時系統側和直流側之間沒有能量交換，加上系統中線路和開關器件所造成的損耗，只會加劇有功功率偏差。此外，零開關矢量對無功功率的調節方向是不確定的?？梢?，采用傳統開關表Ⅰ的DPC系統不僅對有功功率的調節能力較弱，且存在無功功率波動的問題。

表1　傳統開關表ⅠTab.1　Classical switching tableⅠ

2　分段式DPC控制

2.1開關表設計原理

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

對式（3）積分后，可得

（1）以有功功率調節為目標。如果在某段時間內，無功功率偏差被限制在一定范圍內，而有功功率的偏差均較大，此時需要以快速的有功調節為目標，DPC系統要加大有功功率的調節強度?？梢钥偨Y出以有功功率調節為目標的開關表Ⅱ，見表2。

表2　開關表ⅡTab.2　Switching tableⅡ

表3　開關表ⅢTab.3　Switching table Ⅲ

（3）以兼顧有功、無功調節為目標。上述開關表Ⅱ主要用于調節有功功率，單獨使用時，無功功率處于不控狀態，會導致系統功率因數急劇降低。而無功功率的失控反過來又會影響有功功率跟蹤期望值的能力。如果只采用以無功功率調節為主的開關表Ⅲ，雖然可以有效提高系統的功率因數，但失去了對有功功率的調節，最終導致直流側電壓不可控。所以開關表Ⅱ和表Ⅲ在使用時都有一定的條件限制，當有功功率偏差和無功功率偏差均較大時，上述開關表就不再適用。

由于各開關矢量增加有功功率的能力強于減小有功功率的能力，增加無功功率的能力等于減弱無功功率的能力［14］，所以開關表Ⅳ的設計原則如下：

采用該方法，可以得到兼顧有功、無功調節的開關表Ⅳ見表4。

表4　開關表ⅣTab.4　Switching table Ⅳ

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

2.2分段控制原理

為了解決傳統 DPC系統存在的無功功率周期性波動問題，本文提出一種基于多開關表的分段式DPC控制方法，綜合考慮系統處于不同運行狀態下的控制需求。圖3給出了分段式DPC控制系統框圖，與傳統DPC系統的主要區別在于功率內環設計。所提方法首先設置瞬時有功功率和無功功率的偏差限值之后，根據瞬時有功功率和無功功率的偏差與其偏差限值之間的關系完成開關表的選擇。

需要注意的是：在選擇開關表時，不能因為當前采樣周期得到的S值與上一采樣周期不同就直接切換開關表，應持續檢測一段時間。如果在這段時間內的S值恒定，再切換成該S值對應的開關表，以避免系統失控問題。此外，瞬時功率偏差限值 PL、QL的最優值需要根據裝置參數和實際工程經驗來調整。為了驗證分段式DPC控制實現多開關表的無縫切換可能性，即系統穩態和暫態控制性能是否得到有效改善，下文將從仿真和實驗兩方面進行分析。

3　仿真和實驗

3.1仿真

根據圖3所示的系統框圖，在Matlab/Simulink下建立其仿真模型。系統具體參數為：交流側相電壓峰值Um=200V，濾波電感Ls=2mH，交流側等效電阻 Rs=0.5Ω，直流側電容 C=2 000μF，直流側負載取 40Ω電阻，令直流側初始電壓給定值為了進一步驗證所提出分段式 DPC控制的優越性，建立傳統DPC控制的仿真模型，主電路參數與以上參數保持一致。對系統起動瞬間以及到達穩態的典型仿真事件進行對比。

采用分段式DPC控制和傳統DPC控制的直流側電壓響應波形如圖4所示，初始電壓由系統預充電獲得。傳統DPC控制下的直流側電壓到達穩態需要11ms，而分段式DPC控制只需要10ms以下，起動時間減少了10%以上，且電壓的跟蹤過程較平滑。

圖4　起動時，兩種DPC控制下的直流側電壓波形Fig.4　In the start， DC voltage waveforms under two DPC methods

分段式 DPC控制下的交流側電流在起動瞬間有效地避免了傳統 DPC控制中電流在 0.005s發生的波動問題，整個起動過程更平穩，且能夠更快地到達穩態，具體如圖5所示。

圖5　起動時，兩種DPC控制下的交流側電流波形Fig.5　In the start， AC current waveforms under two DPC methods

3.2實驗

實驗裝置如圖6所示，其中電路參數與仿真部分的參數保持一致。控制裝置主CPU采用TI公司的DSPTMS320F28335。利用安捷倫示波器和FLUKE430電能質量分析儀來觀察和分析實驗波形。

圖6　實驗裝置Fig.6　Experimental apparatus

3.2.1穩態波形對比

正常運行條件下，分段式DPC控制和傳統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，交流側電流較平滑，電流THD值僅為3.8%，降低了32.1%，電流質量更佳。該對比結果進一步表明，所提出的分段式DPC控制策略在穩態時的電流調節能力更強。

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暫態性能分析

下面分三種情況來進一步分析分段式 DPC控制和傳統DPC控制下直流側電壓的暫態響應性能。

通過與傳統DPC系統的以上仿真和實驗對比，可以得出分段式DPC控制具有以下優點：①直流電壓響應速度更快、動態性能更為出色；②可以使VSC系統獲得更高質量的電流波形。

圖8　兩種DPC控制下的直流側電壓暫態響應波形Fig.8　Transient DC voltage waveforms under two DPC methods

4　結論

考慮到系統處于不同運行狀態時的控制要求有所區別，為了獲得最佳的系統性能，本文將分段控制思想應用到直接功率控制中，提出了基于多開關表的分段式 DPC控制方法，給出了有功調節開關表、無功調節開關表以及兼顧有功和無功調節開關表，根據系統處于不同階段時的控制需求，完成開關表及開關狀態的選擇。與傳統DPC系統的仿真和實驗對比進一步說明了該分段式 DPC控制方法不僅具有更為出色的動態性能，而且具有更高的穩態控制準確度，對于DPC控制方法的推廣應用具有積極作用。

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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，研究方向為電力電子與智能控制技術。

E-mail： hjj7759@163.com（通信作者）

孫元崗男，1985年生，工程師，研究方向為高頻電源和無功補償。

E-mail： sunyg1985@163.com

國家自然科學基金（51507138），陜西省教育廳專項科研基金（15JK1502）和陜西省重大科技創新項目專項資金（2008ZKC01-09）資助。

2014-05-28改稿日期 2014-07-26