基于变换器的分段式直接功率控制

黄晶晶　孙元岗　同向前　张爱民　王在福

（1. 西安理工大学自动化与信息工程学院　西安　710048 2. 西安交通大学电子与信息工程学院　西安　710049）

基于变换器的分段式直接功率控制

黄晶晶1孙元岗1同向前1张爱民2王在福2

（1. 西安理工大学自动化与信息工程学院西安710048 2. 西安交通大学电子与信息工程学院西安710049）

采用传统直接功率控制（DPC）方法的变换器装置很难兼顾系统不同运行阶段的控制要求，为此，提出了一种基于多开关表的分段式DPC控制方法。该方法统筹考虑了系统的各项性能指标，设计实现了四种开关表，根据系统不同阶段的控制要求选择最佳开关状态。与传统DPC系统的仿真和实验对比表明，采用分段式DPC控制的变换器装置起动时间减少10%以上，稳态运行时交流侧电流谐波总畸变率（THD）降低30%以上，直流侧电压的暂态响应时间减少27.3%以上，进一步验证了分段式DPC控制方法的可行性和有效性。

变换器直接功率控制分段控制总谐波畸变率开关表

0　引言

经过几十年的研究和发展，三相电压型变换器（Voltage Source Converter，VSC）主电路已从早期的半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路［1，2］，消除了传统意义上的整流电路造成的谐波含量大、功率因数低和能量不能回馈等问题。随着对电力系统中无功功率补偿、谐波抑制等问题的深入研究，目前VSC已被广泛用于改造电网污染，提高电能利用率和新能源并网控制等方面［3，4］，具有广泛的应用前景和重要的研究价值。

VSC主要有两大控制目标：①稳定直流侧输出电压；②实现交流侧输入电压与输入电流的相位控制［5-7］。为实现上述控制目标，VSC控制系统通常采用双闭环控制，外环以直流电压作为控制变量，内环以交流侧电流或者 VSC系统与电网所交换的瞬时功率为控制变量（即电流控制和直接功率控制）［8-11］。由于直接功率控制（Direct Power Control，DPC）与电流控制相比，不需要对电网电压进行锁相，结构和算法都更简单，被控量—— 瞬时功率中不仅含有交流侧电流的信息，还含有电网电压的信息，具有出色的动态性能。而且更为有利的是，与交流侧电流作为控制对象时受坐标变换影响不同，瞬时功率可以不受坐标变换的影响，在不同的坐标系下其稳态值均是恒定的，可以当作直流量进行控制，大大提高了系统分析和实现的灵活性，逐渐成为国内外学者的研究热点［12-14］。

传统DPC控制存在无功功率周期性波动问题。为此，文献［15，16］给出一种优化开关表设计方案，但该方法对有功功率的调节能力较弱，系统损耗较高。为了同时得到有效的有功和无功调节，文献［17］分别设计了有功开关表和无功开关表，根据系统当前状态来选择两开关表的作用时间，但该方法忽略了实际系统的损耗。可见采用不同的开关表会得到不同的控制效果，因此，如何兼顾系统各项性能指标，得到最佳的开关表将是DPC在实际应用中必须解决的一个关键问题。

针对DPC控制存在的上述问题，本文将引入分段控制的思想，针对系统处于不同运行阶段的控制要求，提出一种基于多开关表的分段式DPC控制方法，给出有功调节开关表、无功调节开关表以及兼顾有功和无功调节的开关表，根据系统的不同运行状态选择最佳的开关表及开关状态，并通过仿真和实验来验证该方法的有效性。

1　传统DPC控制的问题分析

图 1所示为 VSC主电路结构， Ls为交流侧滤波电感为交流线路的等效电阻分别为三相电源电压在dq坐标系下的dq轴分量分别为三相交流侧电流在dq坐标系下的dq轴分量分别为变换器交流侧输入电压在dq坐标系下的dq轴分量为直流侧电容电压代表六只IGBT开关管的工作状态表示开关管导通；表示开关管关断。其中

图1　VSC主电路结构Fig.1　Main circuit structure of VSC

忽略等效电阻Rs，可以得到 VSC的交流侧电压矢量方程为

可以推导出VSC的功率表达式为［14］

式中， ps为系统有功功率； qs为系统无功功率；电网频率f为50Hz；在dq坐标系下以ω=2πf的角速度与电源电压同步旋转。

对于本文所研究的VSC而言，在任意时刻，总有三只开关管同时导通，且上下两只开关管不能同时导通。因此，开关状态共有8种组合，每一种开关组合对应一个电压矢量所以本文又将其称为开关矢量这些开关矢量可以分为两类：①零开关矢量和②非零开关矢量

开关表设计是整个DPC控制系统的关键。传统开关表Ⅰ见表1表示需要增加有功（无功）功率表示需要减小有功（无功）功率表示将电源电压矢量所在区域划分为12个区间。表1中，当时，多次给出了零开关矢量，此时系统侧和直流侧之间没有能量交换，加上系统中线路和开关器件所造成的损耗，只会加剧有功功率偏差。此外，零开关矢量对无功功率的调节方向是不确定的。可见，采用传统开关表Ⅰ的DPC系统不仅对有功功率的调节能力较弱，且存在无功功率波动的问题。

表1　传统开关表ⅠTab.1　Classical switching tableⅠ

2　分段式DPC控制

2.1开关表设计原理

图2　DPC系统的空间矢量图Fig.2　Space vector diagram of DPC system

对式（3）积分后，可得

（1）以有功功率调节为目标。如果在某段时间内，无功功率偏差被限制在一定范围内，而有功功率的偏差均较大，此时需要以快速的有功调节为目标，DPC系统要加大有功功率的调节强度。可以总结出以有功功率调节为目标的开关表Ⅱ，见表2。

表2　开关表ⅡTab.2　Switching tableⅡ

表3　开关表ⅢTab.3　Switching table Ⅲ

（3）以兼顾有功、无功调节为目标。上述开关表Ⅱ主要用于调节有功功率，单独使用时，无功功率处于不控状态，会导致系统功率因数急剧降低。而无功功率的失控反过来又会影响有功功率跟踪期望值的能力。如果只采用以无功功率调节为主的开关表Ⅲ，虽然可以有效提高系统的功率因数，但失去了对有功功率的调节，最终导致直流侧电压不可控。所以开关表Ⅱ和表Ⅲ在使用时都有一定的条件限制，当有功功率偏差和无功功率偏差均较大时，上述开关表就不再适用。

由于各开关矢量增加有功功率的能力强于减小有功功率的能力，增加无功功率的能力等于减弱无功功率的能力［14］，所以开关表Ⅳ的设计原则如下：

采用该方法，可以得到兼顾有功、无功调节的开关表Ⅳ见表4。

表4　开关表ⅣTab.4　Switching table Ⅳ

图3　分段式DPC控制系统框图Fig.3　System block diagram of sectional DPC control

2.2分段控制原理

为了解决传统 DPC系统存在的无功功率周期性波动问题，本文提出一种基于多开关表的分段式DPC控制方法，综合考虑系统处于不同运行状态下的控制需求。图3给出了分段式DPC控制系统框图，与传统DPC系统的主要区别在于功率内环设计。所提方法首先设置瞬时有功功率和无功功率的偏差限值之后，根据瞬时有功功率和无功功率的偏差与其偏差限值之间的关系完成开关表的选择。

需要注意的是：在选择开关表时，不能因为当前采样周期得到的S值与上一采样周期不同就直接切换开关表，应持续检测一段时间。如果在这段时间内的S值恒定，再切换成该S值对应的开关表，以避免系统失控问题。此外，瞬时功率偏差限值 PL、QL的最优值需要根据装置参数和实际工程经验来调整。为了验证分段式DPC控制实现多开关表的无缝切换可能性，即系统稳态和暂态控制性能是否得到有效改善，下文将从仿真和实验两方面进行分析。

3　仿真和实验

3.1仿真

根据图3所示的系统框图，在Matlab/Simulink下建立其仿真模型。系统具体参数为：交流侧相电压峰值Um=200V，滤波电感Ls=2mH，交流侧等效电阻 Rs=0.5Ω，直流侧电容 C=2 000μF，直流侧负载取 40Ω电阻，令直流侧初始电压给定值为了进一步验证所提出分段式 DPC控制的优越性，建立传统DPC控制的仿真模型，主电路参数与以上参数保持一致。对系统起动瞬间以及到达稳态的典型仿真事件进行对比。

采用分段式DPC控制和传统DPC控制的直流侧电压响应波形如图4所示，初始电压由系统预充电获得。传统DPC控制下的直流侧电压到达稳态需要11ms，而分段式DPC控制只需要10ms以下，起动时间减少了10%以上，且电压的跟踪过程较平滑。

图4　起动时，两种DPC控制下的直流侧电压波形Fig.4　In the start， DC voltage waveforms under two DPC methods

分段式 DPC控制下的交流侧电流在起动瞬间有效地避免了传统 DPC控制中电流在 0.005s发生的波动问题，整个起动过程更平稳，且能够更快地到达稳态，具体如图5所示。

图5　起动时，两种DPC控制下的交流侧电流波形Fig.5　In the start， AC current waveforms under two DPC methods

3.2实验

实验装置如图6所示，其中电路参数与仿真部分的参数保持一致。控制装置主CPU采用TI公司的DSPTMS320F28335。利用安捷伦示波器和FLUKE430电能质量分析仪来观察和分析实验波形。

图6　实验装置Fig.6　Experimental apparatus

3.2.1稳态波形对比

正常运行条件下，分段式DPC控制和传统DPC控制下的电压、电流波形分别如图7a和图7b所示。图中，传统DPC控制下的电流THD值为5.6%；而采用所提出的分段式DPC控制时，交流侧电流较平滑，电流THD值仅为3.8%，降低了32.1%，电流质量更佳。该对比结果进一步表明，所提出的分段式DPC控制策略在稳态时的电流调节能力更强。

图7　两种DPC控制下的电压、电流波形Fig.7　Voltage and current waveforms under two DPC methods

3.2.2暂态性能分析

下面分三种情况来进一步分析分段式 DPC控制和传统DPC控制下直流侧电压的暂态响应性能。

通过与传统DPC系统的以上仿真和实验对比，可以得出分段式DPC控制具有以下优点：①直流电压响应速度更快、动态性能更为出色；②可以使VSC系统获得更高质量的电流波形。

图8　两种DPC控制下的直流侧电压暂态响应波形Fig.8　Transient DC voltage waveforms under two DPC methods

4　结论

考虑到系统处于不同运行状态时的控制要求有所区别，为了获得最佳的系统性能，本文将分段控制思想应用到直接功率控制中，提出了基于多开关表的分段式 DPC控制方法，给出了有功调节开关表、无功调节开关表以及兼顾有功和无功调节开关表，根据系统处于不同阶段时的控制需求，完成开关表及开关状态的选择。与传统DPC系统的仿真和实验对比进一步说明了该分段式 DPC控制方法不仅具有更为出色的动态性能，而且具有更高的稳态控制准确度，对于DPC控制方法的推广应用具有积极作用。

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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

黄晶晶女，1986年生，博士，讲师，研究方向为电力电子与智能控制技术。

E-mail： hjj7759@163.com（通信作者）

孙元岗男，1985年生，工程师，研究方向为高频电源和无功补偿。

E-mail： sunyg1985@163.com

国家自然科学基金（51507138），陕西省教育厅专项科研基金（15JK1502）和陕西省重大科技创新项目专项资金（2008ZKC01-09）资助。

2014-05-28改稿日期 2014-07-26