并網(wǎng)逆變器控制

1、1 并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)逆變器矢量控制與直接功率控制矢量控制與直接功率控制 孫丹孫丹 浙江大學(xué)浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院電氣工程學(xué)院2 DPC 概念概念直接轉(zhuǎn)矩控制（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)，通過控制電機定子磁鏈矢量的大小和轉(zhuǎn)速，進而控制定、轉(zhuǎn)子磁鏈矢量間夾角（轉(zhuǎn)矩角或功率角），達到直接控制轉(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（直接功率控制（DPC）技術(shù)。3DPC用途用途可用于交流調(diào)速傳動，但主要用于可逆?zhèn)鲃拥木W(wǎng)側(cè)變換器控制4DPC用途用途變速恒頻風(fēng)力發(fā)電機的交流勵磁變頻器的 網(wǎng)側(cè)變換器5DPC用途

2、用途光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)逆變器6DPC用途用途靜止無功補償裝置（STACOM）的 電壓源型變換器（電壓源型變換器（VSC）7網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器變換器網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器的主電路變換器的主電路VSC交流側(cè)交流側(cè)（pole）交流輸入阻抗交流輸入阻抗交流電網(wǎng)交流電網(wǎng)VSC直流側(cè)直流側(cè)8 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器變換器l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：式中： 、 、 分別為三相橋臂的開關(guān)函數(shù)。分別為三相橋臂的開關(guān)函數(shù)。gagbgagaadcgbgbbdcgbgcgbgbbdcgcgccdcdca gab gbc gcloaddidiui RLS Vui

3、 RLS Vdtdtdidiui RLS Vui RLS VdtdtdVCS iS iS iidtaSbScS9 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器變換器l三相無中線的系統(tǒng)三相無中線的系統(tǒng)中有： (3.1.2) 則 (3.1.3) n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。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。0gagbgciii()()133()()133()()133gagagbgcabcgagaadcgbgagbgcabcgbgbbdcgcgagbgcabcgcgccdiuuuSSSRiuSVdtLLdiuuuSSSRiuSVdtLLdiuuuSSSRi

4、uSdtLL dcdca gab gbc gcloadVdVCS iS iS iidt10 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器變換器l三相電網(wǎng)電壓基本平衡三相電網(wǎng)電壓基本平衡時： (3.1.4)則三相靜止坐標系下網(wǎng)側(cè)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型為： (3.1.5)0gagbgcuuu()13()13()13gaabcgagaadcgbabcgbgbbdcgcabcgcgccdcdca gab gbc gcloaddiSSSRiuSVdtLLdiSSSRiuSVdtLLdiSSSRiuSVdtLLdVCS iS iS iidt 11 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器變換器l考慮交流側(cè)輸出的線電壓為：考慮交流側(cè)輸出的

5、線電壓為： (3.1.6) 輸出相電壓為：輸出相電壓為： (3.1.7)其中其中 ， ， ()()()gababdcgbcbcdcgcacadcvSS VvSS VvSS Vgaadcgbbdcgccdcvf Vvf Vvf V()3abcaaSSSfS()3abcbbSSSfS()3abcccSSSfS12 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器變換器則有： (3.1.8)gagagagagbgbgbgbgcgcgcgcdca gab gbc gcloaddiuRiLvdtdiuRiLvdtdiuRiLvdtdVCS iS iS iidt13 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器變換器兩相靜止兩相靜止-坐標系坐標

6、系下網(wǎng)側(cè)下網(wǎng)側(cè)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型變換器的數(shù)學(xué)模型 其中：其中： 、 - 交流電網(wǎng)交流電網(wǎng)電壓電壓 、 分量值；分量值； 、 - 交流輸入交流輸入電流電流 、分量值；分量值； 、 - 變換器中三相全控橋變換器中三相全控橋(VSC)交流側(cè)電壓交流側(cè)電壓 、分量值；分量值； 、 - 開關(guān)函數(shù)的開關(guān)函數(shù)的 、分量。分量。()ggggggggdcggloaddiuRiLvdtdiuRiLvdtdVCS iS iidtgigigvgvSSgugu14 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器變換器同步旋轉(zhuǎn)坐標系同步旋轉(zhuǎn)坐標系下網(wǎng)側(cè)下網(wǎng)側(cè)PWM變換器的數(shù)學(xué)模型變換器的數(shù)學(xué)模型 (3.1.21) 其中：其中： 、 -交

7、流電網(wǎng)交流電網(wǎng)電壓電壓 、軸分量；軸分量； 、 -交流輸入交流輸入電流電流 、軸分量；軸分量； 、 -三相全控橋三相全控橋(VSC)交流側(cè)交流側(cè)電壓電壓 、軸分量；軸分量； 、 - 開關(guān)函數(shù)的開關(guān)函數(shù)的 、軸分量；軸分量； - 電網(wǎng)電壓的角頻率。電網(wǎng)電壓的角頻率。11()gdgdgdgqgdgqgqgqgdgqdcd gdq gqloaddiuRiLLivdtdiuRiLLivdtdVCS iS iidtgdugqugdigqigdvgqvdSqS115 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器及其控制變換器及其控制l 為電網(wǎng)電壓矢量 將坐標系坐標系 d 軸軸 定向于電網(wǎng)電壓矢量定向于電網(wǎng)電壓矢量，則有l(wèi)電

8、網(wǎng)電壓定向后電網(wǎng)電壓定向后 gdgqujugu32gdgguUU；：相電壓峰值gu0gqu11320()gdggdgqgdgqgqgdgqdcdgdq gqloaddiURiLLivdtdiRiLLivdtdVCS iS iidt16 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器及其控制變換器及其控制網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器的變換器的穩(wěn)態(tài)分析穩(wěn)態(tài)分析l同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，穩(wěn)態(tài)時各狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)等于零同步旋轉(zhuǎn)坐標系下，穩(wěn)態(tài)時各狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)等于零，可得穩(wěn)態(tài)方程穩(wěn)態(tài)方程為： (3.1.23) (3.1.24) 11320ggdgqgdgqgdgqURiLivRiLiv()loadd gdq gqiS iS i17 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)

9、側(cè)PWMPWM變換器及其控制變換器及其控制l網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器變換器穩(wěn)態(tài)電壓空間矢量圖穩(wěn)態(tài)電壓空間矢量圖 (a) 一般情況一般情況 圖中，圖中， 為線路的阻抗，為線路的阻抗， 為功率因數(shù)角為功率因數(shù)角1ZRjL(b) 忽略電阻且功率因數(shù)為忽略電阻且功率因數(shù)為1ig = 18網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制l從圖可見，若控制交流輸入功率因數(shù)一定，則變換器從圖可見，若控制交流輸入功率因數(shù)一定，則變換器交流側(cè)交流側(cè)電壓空間矢量電壓空間矢量vg的末端的末端將始終沿阻抗三角形的將始終沿阻抗三角形的斜邊滑動斜邊滑動 n規(guī)律：規(guī)律： 在相同的輸出負載下(即 相同)，變換器電流含 超前電流分量(

10、)，需要較高的直流母線電壓； 變換器電流含滯后電流分量( )，需要的直流母線電壓要低一些。gdi0gqi0gqi19網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制n規(guī)律：規(guī)律： 如忽略電阻，功率因數(shù)為1時的穩(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)，輸出負載越大，輸出負載越大，所需最低直流母線電壓就越所需最低直流母線電壓就越高，即使在空載時也要高于高，即使在空載時也要高于電網(wǎng)線電壓峰值電網(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)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器的變換器的瞬時功率瞬時功率分析分析l從電網(wǎng)吸收的有功功率和無功功率為：從

11、電網(wǎng)吸收的有功功率和無功功率為： (3.1.30) (3.1.31)l在坐標系在坐標系 d軸軸 定向于電網(wǎng)電壓的同步旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)中，定向于電網(wǎng)電壓的同步旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)中，有：有：則則 (3.1.32) (3.1.33)ggd gdgq gqPu iu iggq gdgd gqQu iu i32gdguUgu0gquggd gdPu iggd gqQu i 21 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制ggd gdPu iggd gqQu i 說明說明: : 大于零表示網(wǎng)側(cè)大于零表示網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器工作于整流狀態(tài)，從電變換器工作于整流狀態(tài)，從電網(wǎng)吸收能量；網(wǎng)吸收能量； 小于零表示網(wǎng)側(cè)小于零

12、表示網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器處于逆變狀態(tài)，能量從變換器處于逆變狀態(tài)，能量從直流側(cè)回饋到電網(wǎng)。直流側(cè)回饋到電網(wǎng)。 大于零表示網(wǎng)側(cè)大于零表示網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器呈容性，從電網(wǎng)吸收超變換器呈容性，從電網(wǎng)吸收超前的無功；前的無功； 小于零表示網(wǎng)側(cè)小于零表示網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器呈感性，從電網(wǎng)吸收滯變換器呈感性，從電網(wǎng)吸收滯后的無功。后的無功?？梢姡嚎梢姡弘娏魇噶康碾娏魇噶康膁 d、 q q軸分量軸分量 和和 實際上分別代實際上分別代表了變換器的有功電流分量和無功電流分量。表了變換器的有功電流分量和無功電流分量。gPgPgQgQgdigqi22 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制l單位功率因數(shù)整

13、流單位功率因數(shù)整流工況時的功率流向工況時的功率流向 (a) (a) 整流運行整流運行 圖圖3.3 3.3 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器在單位功率因數(shù)運行時的功率流動示意圖變換器在單位功率因數(shù)運行時的功率流動示意圖 - - 電網(wǎng)提供的有功功率；電網(wǎng)提供的有功功率； - - 直流側(cè)負載功率；直流側(cè)負載功率； - - 交流側(cè)線路電阻功耗；交流側(cè)線路電阻功耗； - - 變換器開關(guān)和導(dǎo)通損耗變換器開關(guān)和導(dǎo)通損耗 - - 直流母線電容等效并聯(lián)電阻損耗、電容充放電功率直流母線電容等效并聯(lián)電阻損耗、電容充放電功率l圖圖3.3(b)3.3(b)表示由直流側(cè)有源負載提供的有功功率回饋給電網(wǎng)并補償各種損耗功表示由直流

14、側(cè)有源負載提供的有功功率回饋給電網(wǎng)并補償各種損耗功率的情況。率的情況。gPloadPgRPgsPCP(b)逆變運行逆變運行23 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制n忽略各種損耗后，變換器的忽略各種損耗后，變換器的直流側(cè)與交流側(cè)的功率平衡直流側(cè)與交流側(cè)的功率平衡關(guān)系：關(guān)系： (3.1.34) n由式由式 (3.1.25)可得：可得：n (3.1.35) ggd gddc loadloadPu iV iP11gqgdgdgqgdviLviuL 1132gdggqgqgdvULivLi 24 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制功率方程變?yōu)椋汗β史匠套優(yōu)椋?(3.1.36) (3.1.

15、37) 表明：表明：調(diào)節(jié)變換器交流側(cè)電壓空間矢量的兩個分量，可以調(diào)調(diào)節(jié)變換器交流側(cè)電壓空間矢量的兩個分量，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)下作四象限運行。有功、無功狀態(tài)下作四象限運行。1gqggd gdgdvPPu iuL 1gdggd gqgdgdvQQu iuuL - igq- igd25 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制概況變換器控制概況l網(wǎng)側(cè)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

16、制輸入功率因數(shù)。正弦和控制輸入功率因數(shù)。l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。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。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。l由于電網(wǎng)電壓基本上恒定，所以對交流側(cè)有功功率的控制實際上就是對由于電網(wǎng)電壓基本上恒定，所以對交流側(cè)有功功率的控制實際上就是對輸入電流有功分量的控制。輸入電流有功分量的控制。l輸入功率因數(shù)的控制實際上就是對輸入電流無功分量的控制，輸入功率因數(shù)的控制實際上就是對輸入電流無功分量的控制，l輸入電流波形正弦與否

17、主要與電流控制的有效性和調(diào)制方式有關(guān)。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，整個網(wǎng)側(cè)因此，整個網(wǎng)側(cè)PWM變換器的控制系統(tǒng)可以分為兩個環(huán)節(jié)變換器的控制系統(tǒng)可以分為兩個環(huán)節(jié):電壓外環(huán)控制及電流內(nèi)環(huán)控制，如圖電壓外環(huán)控制及電流內(nèi)環(huán)控制，如圖3.4所示。所示。26 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制l圖圖3.4 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器電流閉環(huán)控制系統(tǒng)變換器電流閉環(huán)控制系統(tǒng) u電流開環(huán)控制電流開環(huán)控制也稱為間接電流控制，根據(jù)網(wǎng)側(cè)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)方變換器的穩(wěn)態(tài)方程設(shè)計，無電流傳感器，成本較低，其靜態(tài)特性好，控制結(jié)構(gòu)簡便，程設(shè)計，無電流傳感器，

18、成本較低，其靜態(tài)特性好，控制結(jié)構(gòu)簡便，但在暫態(tài)過程中有近但在暫態(tài)過程中有近100%的電流超調(diào)和劇烈振蕩，的電流超調(diào)和劇烈振蕩，無法實用無法實用。27 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制l電流閉環(huán)控制器種類很多可以把電流閉環(huán)控制器種類很多可以把網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器交流側(cè)主電變換器交流側(cè)主電路路看成一臺看成一臺虛擬的交流電機虛擬的交流電機來分析。來分析。圖圖3.5 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器交流側(cè)主電路等效虛擬交流電機定子繞組示意圖變換器交流側(cè)主電路等效虛擬交流電機定子繞組示意圖28 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制凡是用于凡是用于PWMPWM逆變器供電交流電機的高性能控制方法大

19、都均逆變器供電交流電機的高性能控制方法大都均可應(yīng)用于網(wǎng)側(cè)可應(yīng)用于網(wǎng)側(cè)PWMPWM變換器的控制。如變換器的控制。如: :l電網(wǎng)電壓定向矢量控制電網(wǎng)電壓定向矢量控制(Voltage Oriented Control (Voltage Oriented Control ( (VOCVOC) ); ) ); l電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制(Flux Oriented Control (Flux Oriented Control (FOCFOC) );) );l虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制虛擬電網(wǎng)磁鏈定向矢量控制(Virtual Flux Oriented (Virtual Flux Orien

20、ted Control (Control (VFOCVFOC); ); l直接轉(zhuǎn)矩控制直接轉(zhuǎn)矩控制(Direct Torque Control (Direct Torque Control (DTCDTC););l直接功率控制直接功率控制(Direct Power Control (Direct Power Control (DPCDPC) ) 等。等。29 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制l網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器控制與變換器控制與PWM逆變器驅(qū)動交流電機控制之間逆變器驅(qū)動交流電機控制之間的關(guān)系的關(guān)系 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)VSC機側(cè)機側(cè)VSC 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制在網(wǎng)側(cè)在網(wǎng)側(cè)

21、PWMPWM變換器的電變換器的電流控制中，以流控制中，以電網(wǎng)電壓電網(wǎng)電壓矢量矢量 d d軸定向軸定向的的電壓電電壓電流雙閉環(huán)流雙閉環(huán)控制最為廣泛。控制最為廣泛。為省掉電壓傳感器，也為省掉電壓傳感器，也可以采用虛擬電網(wǎng)磁鏈可以采用虛擬電網(wǎng)磁鏈定向。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)PWMPWM變換器矢量控制框圖圖中，利用兩相電流和橋臂圖中，利用兩相電流和橋臂的開關(guān)信號估計出虛擬電網(wǎng)的開關(guān)信號估計出虛擬電網(wǎng)磁鏈的磁鏈的、分量，進而得到分量，進而得到的正弦、余弦值，以此進行的正弦、余弦值，以此進行坐標變換。坐標變換。31 網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器及其控制變換器及其控制l圖中，利用兩

22、相電流和橋圖中，利用兩相電流和橋臂的開關(guān)信號估計出虛擬臂的開關(guān)信號估計出虛擬電網(wǎng)磁鏈的電網(wǎng)磁鏈的、分量；分量；l進而得到進而得到的正弦、余弦的正弦、余弦值；值；l以此進行坐標變換，獲得以此進行坐標變換，獲得無電網(wǎng)電壓傳感器的無電網(wǎng)電壓傳感器的d d 軸軸虛擬磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)虛擬磁鏈定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標系統(tǒng)，坐標系統(tǒng)，l據(jù)此實現(xiàn)了相應(yīng)的矢量控據(jù)此實現(xiàn)了相應(yīng)的矢量控制。制。圖3.19 3.19 d 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 VSC VOC VOC 策略策略網(wǎng)側(cè)網(wǎng)側(cè)PWM變換器變換器( (VSC) )傳統(tǒng)控制方式傳統(tǒng)控制方式 - - 矢量變換控制矢量變換控制(V

23、OC)l原理原理: 將將VSC網(wǎng)側(cè)交流電流分解成有功、無功分量，采用網(wǎng)側(cè)交流電流分解成有功、無功分量，采用2 2個個PI電流電流調(diào)節(jié)器控制調(diào)節(jié)器控制2 2分量電流，實現(xiàn)分量電流，實現(xiàn)有功、無功功率的間接控制有功、無功功率的間接控制l缺點缺點: 有復(fù)雜的坐標旋轉(zhuǎn)變換；有復(fù)雜的坐標旋轉(zhuǎn)變換； 電流調(diào)節(jié)器整定難，特性受運行狀態(tài)變化大；電流調(diào)節(jié)器整定難，特性受運行狀態(tài)變化大； 電網(wǎng)電壓不平衡時必須分解成正負序兩套系統(tǒng)下實施電網(wǎng)電壓不平衡時必須分解成正負序兩套系統(tǒng)下實施d-q解耦控制；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。為線性控制器難滿足非線性系統(tǒng)的優(yōu)化控制。33VSC VSC DP

24、C DPC 策略策略（傳統(tǒng)）（傳統(tǒng)）DPCDPC策略策略l根據(jù)：根據(jù)： 瞬時有功、無功功率的誤差瞬時有功、無功功率的誤差 VSCVSC交流側(cè)電壓矢量的空間位置交流側(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)表中選擇采取二位滯環(huán)調(diào)節(jié)器，從優(yōu)化的開關(guān)表中選擇VSCVSC三相開三相開 關(guān)狀態(tài)（即電壓空間矢量），關(guān)狀態(tài)（即電壓空間矢量），直接控制產(chǎn)生的瞬時功率直接控制產(chǎn)生的瞬時功率大小，大小，達到達到消除功率誤差消除功率誤差的目的。的目的。l優(yōu)點：優(yōu)點： 功率調(diào)節(jié)動態(tài)響應(yīng)快功率調(diào)節(jié)動態(tài)響應(yīng)快 無需矢量旋轉(zhuǎn)變換、線性無需矢量旋轉(zhuǎn)變換、線性PIPI調(diào)節(jié)器及其引發(fā)缺陷調(diào)節(jié)器及其引發(fā)缺陷 能適應(yīng)不平

25、衡電壓下的控制能適應(yīng)不平衡電壓下的控制34VSC VSC DPC DPC 策略策略l缺點：缺點： 靜態(tài)性能優(yōu)劣取決滯環(huán)調(diào)節(jié)器帶寬，有靜態(tài)性能優(yōu)劣取決滯環(huán)調(diào)節(jié)器帶寬，有靜動態(tài)特性矛盾靜動態(tài)特性矛盾 VSC開關(guān)頻率不恒定開關(guān)頻率不恒定，帶來濾波器設(shè)計困難、電流波形，帶來濾波器設(shè)計困難、電流波形畸變、損耗發(fā)熱及冷卻有問題畸變、損耗發(fā)熱及冷卻有問題 動態(tài)性能還與電網(wǎng)、負載及運行工況有關(guān)動態(tài)性能還與電網(wǎng)、負載及運行工況有關(guān)擺脫滯環(huán)控制器及查表方式的傳統(tǒng)擺脫滯環(huán)控制器及查表方式的傳統(tǒng)DTC策略，采用策略，采用 定頻后計算各矢量的優(yōu)化作用順序及時間，實現(xiàn)開關(guān)頻率定頻后計算各矢量的優(yōu)化作用順序及時間，實現(xiàn)開關(guān)

26、頻率 恒定、功率波動小、電流畸變小的新型恒定、功率波動小、電流畸變小的新型DTC策略策略 -預(yù)測直接功率控制預(yù)測直接功率控制（Predicted Direct Power Control - P-DPC） 35VSC VSC DPC DPC 策略策略瞬時有功、無功功率定義瞬時有功、無功功率定義l并網(wǎng)并網(wǎng)VSCVSC電壓、磁鏈關(guān)系電壓、磁鏈關(guān)系 (1)(1) (2) (2) (3) (3)l并網(wǎng)并網(wǎng)VSCVSC等值電路等值電路 dtdLsscsIVVdtdtccssVVcssIsL(a) 靜止坐標系36VSC VSC DPC DPC 策略策略 (b) 同步速d-q坐標系scssssIsLscsc

27、scssssssVV11jjsLscssssI l同步速同步速d-q坐標系內(nèi)坐標系內(nèi)VSC電路方程電路方程 (4)(4) (5) (5) (6) (6)37VSC VSC DPC DPC 策略策略l當坐標系當坐標系d d軸定向在定子磁鏈矢量軸定向在定子磁鏈矢量s上時上時 有有 (7)(7) (8) (8) Fig. 2 同步速坐標系中電網(wǎng) 及網(wǎng)側(cè)變換器交流側(cè)磁鏈矢量csdcs1 dqcq0,sqsds0dtddtdsdss38VSC VSC DPC DPC 策略策略l從電網(wǎng)輸入的有功、無功功率從電網(wǎng)輸入的有功、無功功率 則則 (10) (9) ssscsssssss1s1111133VI223

28、()()23()()()23232ssssdsqsdsqcdcqssdsqsdcdsqcqssdsdcdcqssdcqcdsdsPjQjLj jjjLjj LjjLj LsdcdsdsscqsdssLQLP112323說明說明: : 控制控制d d、q q軸軸VSCVSC磁鏈磁鏈cqcq、cd, cd, 可以獨立地控制可以獨立地控制PsPs、QsQs00039VSC VSC DPC DPC 策略策略傳統(tǒng)傳統(tǒng)DPC策略策略l當當sd、1恒定時恒定時 (11)說明說明: 有功有功Ps、無功、無功Qs的變化取決于的變化取決于 d、q軸軸VSC磁鏈磁鏈cq、cd, 的變化的變化l根據(jù)根據(jù) , 有有 離

29、散化離散化 (12)dtdLdtdQdtdLdtdPcdsdsscqsdss112323ccV dtccVdtdccVt說明：控制所施加的電壓矢量說明：控制所施加的電壓矢量, 可控制磁鏈的變化；可控制磁鏈的變化； 磁鏈矢量沿所施加的電壓矢量方向運動；磁鏈矢量沿所施加的電壓矢量方向運動； 運動速度正比于電壓矢量的大小。運動速度正比于電壓矢量的大小。40VSC VSC DPC DPC 策略策略l 對于對于三相、二電平三相、二電平VSCVSC，共有，共有6 6個有效電壓矢量，二個零電個有效電壓矢量，二個零電 壓矢量壓矢量Vdvcavcbvcc (a) 圖3(a) 兩電平變換器 (b) 電壓空間矢量及

30、其扇區(qū)劃分V4 (100)V3 (011)V6 (110)V2 (010)V1 (001)V5 (101)(II)(I)(III)(IV)(V)(VI)cV4V6V2V3V1V5ABCV0(000)V7 (111)V0/V7(b)41VSC VSC DPC DPC 策略策略l如果電網(wǎng)磁鏈矢量如果電網(wǎng)磁鏈矢量s的的空間位置己知，則每個空間位置己知，則每個電壓矢量對電壓矢量對VSC磁鏈分磁鏈分量量cq、cd 的作用效的作用效果就可決定，繼而可決果就可決定，繼而可決定出對有功、無功功率定出對有功、無功功率的影響的影響l按此原則可規(guī)劃出優(yōu)化按此原則可規(guī)劃出優(yōu)化開關(guān)表開關(guān)表，決定出減少有，決定出減少有功

31、、無功功率控制誤差功、無功功率控制誤差的最佳電壓空間矢量的最佳電壓空間矢量 - 傳統(tǒng)查表法傳統(tǒng)查表法LUT-DPC策策略略42VSC VSC DPC DPC 策略策略查表法（查表法（Look-Up-Table ）LUT DPCl依據(jù)依據(jù): : (13)(13)l電壓空間矢量平面均分電壓空間矢量平面均分 6 6 或或12 12 等分等分( (區(qū)間區(qū)間) ) 根據(jù)電源磁鏈矢量根據(jù)電源磁鏈矢量ss的空間的空間 位置位置, , 可確定出各電壓矢量可確定出各電壓矢量 對對VSCVSC磁鏈分矢量磁鏈分矢量cqcq、cdcd 的影響的影響, , 繼而確定出對有功、繼而確定出對有功、 無功功率無功功率PsPs

32、、QsQs的影響的影響ccVtFig. 3 d-q 及-坐標系電網(wǎng)及網(wǎng)側(cè)變換器磁鏈空間矢量43VSC VSC DPC DPC 策略策略l 實測有功功率實測有功功率PsPs、無功功率、無功功率QsQs，分別與其指令值，分別與其指令值P P* *s s、Q Q* *s s相相比較，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S SP P、無功功率控制信號、無功功率控制信號S SQ Q 定義：定義： (14) Fig. 4 Schematic diagram of LUT-DPC for DC/AC converters,1,0,1,ssp

33、qssssP QSP QP Q增加不變減少44VSC VSC DPC DPC 策略策略l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控制誤差的最佳電壓空間矢量 - - 傳統(tǒng)查表法傳統(tǒng)查表法LUT-DPCLUT-DPC策略策略l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-1V2V2 / V6V60V3V0 / V7V4 1V1V0 / V7V545VSC VSC DPC DPC 策略策略l 說明：說明： 根據(jù)根據(jù): : P Sp P Sp cq cq V V Q Sq Q Sq cd cd V

34、 V 有有: : V V3 3: : cd 0 cd 0 Q 0 Sq = -1Q 0 cq 0 P 0 Sp = -1P 0 Sp = -1 V V1 1: : cd 0 cd 0 Q 0 Sq = -1Q 0 Sq = -1 cq = 0 cq = 0 P = 0 Sp = 0P = 0 Sp = 0 V V5 5: : cd 0 cd 0 Q 0 Sq = -1Q 0 Sq = -1 cq cq 0 Sp = 1P 0 Sp = 1Sq-101Sp-1V3V3 / V2V20V1V0 / V7V6 1V5V0 / V7V4區(qū)間（區(qū)間（II）46VSC VSC DPC DPC 策略策略 S

35、q = 0 Sq = 0 Q = 0 Q = 0 時時, , 選用只改選用只改變一橋臂元件的電壓矢量變一橋臂元件的電壓矢量, , 以降低以降低開關(guān)頻率。此時一般開關(guān)頻率。此時一般采用零矢量，采用零矢量，但但V V0 0/V/V7 7 則按開關(guān)次數(shù)少者選用。則按開關(guān)次數(shù)少者選用。 若若Sp = -1 Sp = -1 P 0 VP 0 Ps V3d0 Qs 70預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略Fig. 4 power variation under different voltage vector sequences71預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略l安排規(guī)律：安排規(guī)律： （A A）序列）序列A

36、 A：兩相鄰采樣周期：兩相鄰采樣周期TsTs內(nèi)，電壓矢量內(nèi)，電壓矢量順序相同。順序相同。 (B) (B) 序列序列B B：兩相鄰采樣周期：兩相鄰采樣周期TsTs內(nèi)，有效電壓矢量內(nèi)，有效電壓矢量順序相反順序相反, , 但但只用只用V V0 0 (C) (C) 序列序列C C：兩相鄰采樣周期：兩相鄰采樣周期TsTs內(nèi)，電壓矢量內(nèi)，電壓矢量順序相反順序相反, V, V0 0 、V V7 7 交替交替使使 用。用。l效果效果: : 采樣周期采樣周期TsTs終點終點, , 瞬時瞬時P PS S、Q QS S均被調(diào)制到指令值均被調(diào)制到指令值P PS S* *、Q QS S* * 。 但：但： 序列序列A

37、A：P PS S、Q QS S平均值不等于平均值不等于P PS S* *、Q QS S* * ，特別是，特別是P PS S； 序列序列B B、C C：因：因2Ts2Ts內(nèi)波形對稱，內(nèi)波形對稱，P PS S、Q QS S平均值等于平均值等于P PS S* *、Q QS S* *； 序列序列C C：因：因TsTs終點終點插入插入V V7 7 ，有功，有功P PS S波動小波動?。?三種序列有三種序列有相同的無功相同的無功Q QS S波動波動。72預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略原因分析：原因分析：l某電壓矢量作用下的功率波動可通過某電壓矢量作用下的功率波動可通過改寫式（改寫式（1818）來預(yù)測，即

38、用來預(yù)測，即用 （2525）l對于對于零矢量零矢量, , V Vcdcd = = V Vcqcq = 0 = 0 , , 則有則有 (26)(26) 由于由于L Ls sI Is s遠比電源磁鏈遠比電源磁鏈s s 小小, , 則則零矢量作用下零矢量作用下P PS S 0( P 0( PS S增大增大), ), 而而Q QS S 0 (Q 0 (QS S不變不變) )11113232ssssssdssssssqscqcdTP L ILTQ L ILVVsqss21ssssdsss21sssILL2T3QILL2T3P0073預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略l分析分析V V2 2、V V3 3作用

39、作用 因因 V V2q2q、V V3q3q 0 0 P PS S 0 P 0 0 Q QS S 0 Q 0 QS S V V3d3d 0 0 Q QS S 0 Q 0 QS S 故故V V2 2、V V3 3作用作用P PS S 、Q QS S 曲線走勢如圖曲線走勢如圖( (圖圖) )74預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略仿真研究仿真研究l系統(tǒng)參數(shù)系統(tǒng)參數(shù)Rated line-to-line voltage (rms):138 VRated power500 WSource frequency50 HzLine reactor resistance R0.1 Line reactor induc

40、tance Ls0.006 HDC link voltage250 VFilter capacitor40 F開關(guān)頻率開關(guān)頻率2.5kHz, 2.5kHz, 采樣頻率采樣頻率5kHz5kHzTable I Parameters used in simulated vsc system VSC75預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略l動態(tài)響應(yīng)動態(tài)響應(yīng)Fig. 5 (A) Various active and reactive power steps (a): Active power input; (b) Reactive power input; (c) Three Phase line curr

41、ents; Ps = -300W (VSCPs = -300W (VSC輸出輸出) ) 0 0 + +300W (VSC300W (VSC輸入輸入) ) Qs = -300Var Qs = -300Var ( (感性感性) ) 0 0 + +300Var (300Var (容性容性) )PsQsThree Phase line currentsl P P、Q Q解耦性好解耦性好l 2Ts2Ts內(nèi)內(nèi)P P、Q Q波形波形( (圖圖5(B) 5(B) 與序列與序列C C分析分析( (圖圖4) 4) 吻合吻合76預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略實驗研究實驗研究l 實驗系統(tǒng)實驗系統(tǒng)Fig. 6 Exp

42、erimental setup77預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略l動態(tài)響應(yīng)動態(tài)響應(yīng) (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 volta

43、ge (100 V/div); (4) Phase A current (5 A/div). PsQs78預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略 (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 inp

44、ut (1 kVAr/div); (3) Phase A voltage (100 V/div); (4) Phase A current (5 A/div). PsQs79預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略l跟蹤性能跟蹤性能 P P* *S S、Q Q* *S S為為 20Hz, 300 VA20Hz, 300 VA交流指令交流指令, P, PS S、Q QS S 跟蹤誤差小跟蹤誤差小(A) Active power variation, (1): Active power reference (1 kW/div); (2) Measured active power (1 kW/div);

45、(3) Phase a voltage (100 V/div); (4) Phase a current (5 A/div); (5) Active power error (1 kW/div); (B) Reactive 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 err

46、or (1 kVAr/div); Fig. 8 Experimental results showing the tracking of varying active and reactive power references P*SQ*SPSQSPerrorQerror80預(yù)測預(yù)測DPC DPC 策略策略l恒頻特性驗證恒頻特性驗證 Fig. 9 Experiment line current harmonic spectrum of the proposed CSF DPC 線電流頻譜表明主體頻率為線電流頻譜表明主體頻率為2.5kHz(2.5kHz(開關(guān)頻率開關(guān)頻率) )及其倍頻及其倍頻81

47、VSC VSC DPC DPC 策略策略REFERENCES1 Dawei Zhi, Lie Xu, et al., New Direct Power Control Strategy for Grid Connected Voltage Source Converters , Proc. ICEMS, 2008.2 L. 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

48、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 and 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