一種基于二矢量的直接功率控制策略

一種基于二矢量的直接功率控制策略

0基于svm的控制策略近年來，由于四個(gè)橫截面的特點(diǎn)，電壓脈寬調(diào)節(jié)器（pm）在各種能源轉(zhuǎn)換和傳輸領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，如電機(jī)頻率調(diào)節(jié)、微電網(wǎng)系統(tǒng)、源濾波器、高壓直流壓、新能源和電網(wǎng)發(fā)電器等。相比早期的二極管不控整流,PWM整流器具有較低的網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率、恒定的直流輸出電壓、可控功率因數(shù)和雙向能量流動(dòng)等優(yōu)勢,可有效地減少二極管整流帶來的諧波和無功污染等問題,實(shí)現(xiàn)“綠色電能變換”。隨著對(duì)PWM整流器的深入研究,越來越多的控制方法被提出來用于PWM整流器的控制。其中提出較早并應(yīng)用廣泛的是電網(wǎng)電壓定向控制(voltageorientedcontrol,VOC),它通過同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換把交流量變?yōu)橹绷髁?從而可以用線性的PI控制器實(shí)現(xiàn)精確的電流控制,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有功和無功的解耦控制?？梢哉fVOC的性能主要依賴于對(duì)電流的控制效果,相應(yīng)的電流調(diào)節(jié)器的整定也直接影響著控制系統(tǒng)的性能。隨著瞬時(shí)功率理論的發(fā)展,20世紀(jì)90年代初,日本學(xué)者TokuoOhnishi提出一種對(duì)PWM整流器的有功和無功功率進(jìn)行直接控制的新型控制策略。該思想在1998年由ToshihikoNoguchi進(jìn)行了更為明確的闡述,命名為直接功率控制(directpowercontrol,DPC),并引起了廣泛關(guān)注。相比VOC,DPC具有結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快和魯棒性好等優(yōu)點(diǎn),它采用bang-bang控制器和一個(gè)預(yù)定的開關(guān)矢量表,根據(jù)誤差信號(hào)和扇區(qū)位置直接選擇出一個(gè)電壓矢量來減少有功和無功與給定值的誤差。由于不需要電流內(nèi)環(huán)及其整定,DPC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)很快,但同時(shí)帶來了較大的穩(wěn)態(tài)紋波和變化的開關(guān)頻率。為減小電流諧波,必須采用較高的采樣頻率,對(duì)硬件要求較高。目前關(guān)于DPC的研究集中在主電路參數(shù)設(shè)計(jì)、電網(wǎng)不平衡時(shí)的控制、無電壓傳感器運(yùn)行以及穩(wěn)態(tài)性能改善等[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]方面。針對(duì)傳統(tǒng)DPC中穩(wěn)態(tài)脈動(dòng)大和變開關(guān)頻率等問題,不少改進(jìn)方法被提出來,其中應(yīng)用較多的為空間矢量調(diào)制DPC(spacevectormodulationDPC,SVM-DPC)。它通過采用各種控制策略,如PI控制、無差拍控制、無源控制、比例諧振控制等來獲得電壓指令,然后采用SVM來得到開關(guān)信號(hào)的同時(shí)固定開關(guān)頻率?；赟VM的PWM整流器控制方法未能將功率控制目標(biāo)(如功率脈動(dòng)等)與電壓矢量(也是PWM整流器的唯一輸入量或控制量)直接聯(lián)系起來。通常先采用某種方法獲得指令參考電壓,然后再通過SVM進(jìn)行合成,而SVM的理論基礎(chǔ)是伏秒平衡。因此可以說,基于SVM的方法其控制效果取決于兩方面:獲得參考電壓的控制方法的性能和SVM的性能。這種將控制目標(biāo)和底層PWM隔開的方法使控制系統(tǒng)容易設(shè)計(jì),但在控制上不夠直接,很難在理論上直接得到控制方法與功率脈動(dòng)的關(guān)系。傳統(tǒng)的矢量表DPC能夠?qū)⒐β士刂菩阅芘c電壓矢量直接聯(lián)系起來,但其目標(biāo)僅是減小功率誤差,而非將功率誤差最小化,因此它在每個(gè)控制周期只選擇一個(gè)固定的電壓矢量,帶來的效果就是對(duì)功率調(diào)節(jié)過強(qiáng)或者過弱,不夠精細(xì),從而呈現(xiàn)出較大的紋波。此外還有一些其他類型的改進(jìn)控制方法,如模糊控制和模型預(yù)測控制等等。這些方法雖然使DPC的控制性能得到了改善,但同時(shí)也使控制算法更為復(fù)雜和難以實(shí)現(xiàn)。本文基于傳統(tǒng)矢量表DPC提出一種簡單有效的改進(jìn)DPC控制方法,其目標(biāo)是將一個(gè)控制周期內(nèi)的功率脈動(dòng)最小化。通過在每個(gè)控制周期中選擇一個(gè)非零矢量和一個(gè)零矢量,將功率脈動(dòng)最小化的問題轉(zhuǎn)化為非零矢量的作用時(shí)間如何優(yōu)化的問題。通過理論推導(dǎo)建立功率脈動(dòng)最小的數(shù)學(xué)模型,并解析求得其最優(yōu)解。相比傳統(tǒng)DPC,本文控制算法復(fù)雜度略有增加,但控制性能尤其是穩(wěn)態(tài)性能獲得顯著提高,其有效性通過仿真和實(shí)驗(yàn)得到證實(shí)。1電壓矢量的確定圖1所示為三相電壓型PWM整流器的主電路,其中:ea、eb和ec為網(wǎng)側(cè)三相交流電壓;L和R分別為三相交流電抗器的電感和等效電阻。引入三相/二相坐標(biāo)變換,即式中:x為變換后的復(fù)矢量;xa、xb、xc為三相abc坐標(biāo)下的物理量,可以得到PWM整流器在靜止uf061uf062坐標(biāo)上的數(shù)學(xué)模型為式中e、i和v分別為網(wǎng)側(cè)電壓矢量、網(wǎng)側(cè)電流矢量和整流器交流側(cè)輸出電壓矢量。根據(jù)瞬時(shí)功率理論,網(wǎng)側(cè)復(fù)功率S可表示為其中*表示共軛。對(duì)式(3)分解可得瞬時(shí)有功P和瞬時(shí)無功Q分別為假設(shè)三相電網(wǎng)電壓平衡且正弦,對(duì)式(3)進(jìn)行微分并結(jié)合式(2)可得到復(fù)功率的導(dǎo)數(shù)為進(jìn)一步分解式(5)為實(shí)部和虛部,可得:利用式(6)可以計(jì)算得到不同電壓矢量對(duì)有功和無功的變化率。對(duì)于一般非零矢量和零矢量,其在k時(shí)刻時(shí)有功功率的變化率分別記為s1和s2,根據(jù)式(6)可得具體為類似地,非零矢量和零矢量在k時(shí)刻時(shí)對(duì)應(yīng)的無功變化率s11和s22表示為式中上標(biāo)k表示在第k時(shí)刻的采樣值或計(jì)算值。式(7)和(8)中的Pk和Qk根據(jù)k時(shí)刻的電壓和電流由式(3)計(jì)算得到。2最小功率動(dòng)脈dpc2.1基于零矢量的無功優(yōu)化本文所提出的功率脈動(dòng)最小DPC是基于在一個(gè)控制周期中的有功和無功與參考值的誤差紋波RMS最小的原理而得到,其具體實(shí)現(xiàn)包括3個(gè)部分:矢量選擇、矢量作用時(shí)間和矢量次序。本小節(jié)將對(duì)矢量選擇進(jìn)行具體闡述。傳統(tǒng)的矢量表DPC在一個(gè)控制周期只選擇一個(gè)電壓矢量,由于該矢量作用于整個(gè)控制周期,很容易造成對(duì)有功和無功的調(diào)節(jié)力度過強(qiáng)或過弱,表現(xiàn)為穩(wěn)態(tài)時(shí)有較大的功率紋波。由于零矢量產(chǎn)生的有功和無功變化率通常相對(duì)較小,如果在一個(gè)控制周期內(nèi)同時(shí)施加一個(gè)零矢量和一個(gè)非零矢量,則可以充分利用零矢量對(duì)有功和無功變化的平緩作用,從而有效地減小功率紋波,改善穩(wěn)態(tài)性能。一般來講該非零矢量可以來自現(xiàn)有的DPC矢量表,而零矢量則按照與所選非零矢量之間開關(guān)動(dòng)作次數(shù)最小的原則來選取。早期文獻(xiàn)給出的矢量表在增加有功并減小無功時(shí)選擇的矢量并不合適,從而在穩(wěn)態(tài)時(shí)產(chǎn)生較大的紋波,因此不為本文所采用。后來又出現(xiàn)了各種改進(jìn)的矢量表,其區(qū)別主要是有功增加時(shí)選擇的矢量不一致,原因在于滿足有功增加的矢量并不單一。以第一扇區(qū)(0~60°)為例,假設(shè)P=1000W,Q=0Var,電網(wǎng)電壓和電感等參數(shù)見仿真和實(shí)驗(yàn)部分介紹,根據(jù)式(6),對(duì)于每個(gè)電壓矢量Vn(8個(gè)矢量,其中兩個(gè)零矢量)可以計(jì)算得到在電網(wǎng)電壓一個(gè)周期內(nèi)的有功和無功變化率,如圖2所示。其中在第一扇區(qū)中滿足有功和無功同時(shí)增加的為V0,V3,V4,V7,有功增加而無功減少的為V5和V6,有功減少而無功增加的為V2,有功和無功同時(shí)減少的為V1。由于零矢量已經(jīng)被選取為本文所提DPC中的一個(gè)矢量,故有功和無功同時(shí)增加時(shí)將從V3和V4中選取,事實(shí)上二者均可。有功增加和無功減少時(shí),V5在第一扇區(qū)末時(shí)發(fā)生符號(hào)變化(圖中圓圈部分),為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在有功增加而無功減少時(shí)選擇V6。至此,在第一扇區(qū)時(shí)滿足有功和無功變化要求的矢量已經(jīng)選出,其中滿足有功無功同時(shí)增加的為V3和V4,二者性能差異不大,在本文中選擇V4。由于6個(gè)扇區(qū)完全對(duì)稱,可得出最終的矢量選擇如表1所示,其中k為扇區(qū)編號(hào),采用循環(huán)計(jì)數(shù)法,即k=mod(k,6)。該表與文獻(xiàn)提出的矢量表等效,但扇區(qū)劃分為6扇區(qū)而非12扇區(qū),實(shí)現(xiàn)更加容易。2.2基于最優(yōu)作用時(shí)間功率脈動(dòng)最小化控制算法原理如圖3所示。假設(shè)在k時(shí)刻的有功和無功功率分別為Pk和Qk,控制目標(biāo)為在下一個(gè)控制周期內(nèi)有功和無功與參考值之差的紋波RMS最小。具體表示為求解非零矢量的優(yōu)化作用時(shí)間top,使如下函數(shù)Fripple(top)取最小值:式中tsp為控制采樣周期。通過求解式(8)對(duì)top的導(dǎo)數(shù),即可求解得到非零矢量的優(yōu)化作用時(shí)間top為式中s1、s2、s11和s22從式(7)和(8)計(jì)算得到。需要指出的是,如果根據(jù)式(10)計(jì)算得到的top為負(fù)或者值大于采樣周期tsp,表示系統(tǒng)尚未達(dá)到穩(wěn)態(tài),此時(shí)則在整個(gè)周期輸出從表1得到的非零矢量,以維持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。2.3基于上一周期的矢量動(dòng)態(tài)調(diào)整為減小開關(guān)頻率和開關(guān)損耗,從而達(dá)到提高系統(tǒng)效率的目的,需要對(duì)非零矢量和零矢量的作用次序進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。具體來說就是根據(jù)上一周期末尾的矢量來動(dòng)態(tài)調(diào)整本周期的矢量作用次序。比如上周期所發(fā)矢量為“110-111”,本周要發(fā)的矢量為“011-111”,則需要將之動(dòng)態(tài)改為“111-011”以盡減小相鄰矢量序列之間的開關(guān)跳變。需要指出的是,如果矢量次序進(jìn)行了調(diào)整,則相應(yīng)的矢量作用時(shí)間也要隨之改變。3試驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果3.1dpc仿真及特性分析為了驗(yàn)證本文算法的正確性,通過仿真對(duì)算法進(jìn)行了測試。作為對(duì)比,相同測試條件下基于表1所示矢量表DPC的結(jié)果也同樣給出,以證明本文算法的有效性。本文提出的功率脈動(dòng)最小DPC的系統(tǒng)控制框圖如圖4所示,所采用的系統(tǒng)主要參數(shù)為:交流側(cè)線電壓有效值150V;頻率50Hz;交流側(cè)電感10mH;直流母線電容2350uf06dF;母線電壓給定值300V;采樣頻率為20kHz。在Matlab/Simulink環(huán)境中對(duì)功率脈動(dòng)最小DPC和矢量表DPC進(jìn)行了仿真,仿真參數(shù)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)一致。圖5為基于功率脈動(dòng)最小DPC的仿真結(jié)果,圖中:P為有功功率;Q為無功功率;Udc為直流側(cè)母線電壓;ua為電網(wǎng)相電壓;ia為電網(wǎng)相電流。在0.05s時(shí)系統(tǒng)從空載突加1kW負(fù)載,由圖5可知,負(fù)載突變使得母線電壓稍有跌落,相應(yīng)的有功功率也快速提高與負(fù)載功率平衡。在此過程中,無功功率始終為0,保持單位功率因數(shù),這從電網(wǎng)電壓和電流的同相位也可直觀看出。圖6為矢量表DPC的仿真結(jié)果,與圖5的動(dòng)態(tài)性能基本一致,但具有明顯的有功和無功脈動(dòng),電流上也有較多諧波成分。進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)帶1kW負(fù)載時(shí)的穩(wěn)態(tài)電流進(jìn)行了頻譜和THD分析,如圖7、8所示。由圖7可知,本文提出的方法得到的電流頻譜其高次諧波集中在采樣頻率及其整數(shù)倍附近,有利于對(duì)高次諧波的濾除,同時(shí)電流THD只有5.41%,遠(yuǎn)小于同樣條件下矢量表DPC得到的8.13%。另外,矢量表DPC的電流具有較寬的諧波頻譜,不利于諧波的濾除。表2總結(jié)了在1kW負(fù)載穩(wěn)態(tài)時(shí)兩種方法在有功脈動(dòng)Pripple、無功脈動(dòng)Qripple和電流THD三方面的數(shù)據(jù)對(duì)比,其中功率脈動(dòng)的計(jì)算是通過分析0.1s內(nèi)有功和無功功率各自的均方差而得到,具體表達(dá)式為3.2功率脈動(dòng)最小dpc與其他常用系統(tǒng)對(duì)比除了仿真結(jié)果,還搭建了兩電平PWM整流器樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。控制器采用32位浮點(diǎn)DSPTMS320F28335,可以方便地實(shí)現(xiàn)本文的控制算法。另外控制板上還擴(kuò)展了4通道的DA,用于內(nèi)部變量觀測。實(shí)驗(yàn)中除電流采用電流探頭直接測得外,其他變量都是通過12位DA輸出到示波器上顯示。圖9為功率脈動(dòng)最小DPC帶1kW負(fù)載穩(wěn)態(tài)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。由圖9可知,電網(wǎng)電壓和電流相位相同,實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行,有功和無功功率的脈動(dòng)較小,網(wǎng)側(cè)電流也比較正弦和平穩(wěn)。同樣測試條件下基于表1所示矢量表DPC的波形如圖10所示?？梢钥闯?基于矢量表DPC的有功和無功的功率脈動(dòng)相對(duì)較大,電流波形上也有較多高頻諧波毛刺,正弦度相對(duì)較差。進(jìn)一步對(duì)網(wǎng)側(cè)電流進(jìn)行頻譜分析得到圖11、12,可以看出,采用本文方法后網(wǎng)側(cè)電流THD從8.89%降低到6.53%,高次諧波主要集中在采樣頻率附近,容易濾除,與仿真基本一致。表3總結(jié)了穩(wěn)態(tài)時(shí)有功和無功功率的脈動(dòng)情況,可以看出,使用本文方法后有功功率脈動(dòng)從86.32W降低到42.36W,減小達(dá)50.9%,無功功率也從95.99Var降低到69.82Var,減小了27.3%。通過對(duì)兩種方法的穩(wěn)態(tài)性能的對(duì)比,驗(yàn)證了功率脈動(dòng)最小DPC在改善穩(wěn)態(tài)性能上的優(yōu)越性。圖13、14進(jìn)一步考察了功率脈動(dòng)最小DPC和矢量表DPC在負(fù)載從空載突加到1kW時(shí)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在此過程中,無功功率始終為零,即維持單位功率因數(shù),實(shí)現(xiàn)了有功和無功的解耦控制。母線電壓稍有波動(dòng),體現(xiàn)出對(duì)負(fù)載變化的強(qiáng)抗干擾能力。二者具有相似的動(dòng)態(tài)響應(yīng),但功率脈動(dòng)最小DPC的功率脈動(dòng)明顯小于矢量表DPC,表明本文所提出的功率脈動(dòng)最小DPC在改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的同時(shí)并沒有影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。上文實(shí)驗(yàn)波形均在直流母線電壓閉環(huán)的條件下得到。由于有功功率的動(dòng)態(tài)性能與母線電壓外環(huán)的PI系數(shù)相關(guān),為了更清晰地驗(yàn)證功率脈動(dòng)最小DPC的動(dòng)態(tài)性能,圖15給出了電壓外環(huán)開環(huán),即僅有功率閉環(huán)時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形。測試條件為有功給定從600W階躍到1000W,無功給定控制為零?？梢钥闯?有功功率能夠快速跟蹤指令值,且實(shí)現(xiàn)了有功和無功的解耦控制。同樣測試條件下基于矢量表DPC的結(jié)果如圖16所示,可以發(fā)現(xiàn)二者動(dòng)態(tài)性能十分類似,但功率脈動(dòng)最小DPC的功率脈動(dòng)更小,電流波形也更為正弦和平滑。4階段ostwiely-充放電,voc國際專利基因國際習(xí)慣法whique國際專利規(guī)范,which國際協(xié)議會(huì)報(bào)表1.3.3.3.3.3.4.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.5.傳統(tǒng)的單矢量DPC由于每個(gè)控制周期只能發(fā)固定的電壓矢量,對(duì)功率變化的調(diào)節(jié)不夠精細(xì)和平滑,因此帶來了較大的功率紋波和較多的電流諧波。借助于零矢量對(duì)功率調(diào)節(jié)的“溫和”效果,可以有效地改善穩(wěn)態(tài)性能。為此提出一種基于功率脈動(dòng)最小的DPC方法,建立了功率脈動(dòng)最小的數(shù)學(xué)模型并解析求解得到了非零矢量的優(yōu)化作用時(shí)間。對(duì)矢量選擇、矢量時(shí)間和矢量次序三個(gè)關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)闡述。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用本文所提出的功率脈動(dòng)最小DPC可以在改善傳統(tǒng)矢量表DPC穩(wěn)態(tài)性能的同時(shí)維持原來的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng),具有較大的實(shí)用價(jià)值。式中N為0.1s內(nèi)P和Q的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。由表2可知,采用本文所提方法后,有功脈動(dòng)和無功脈動(dòng)分別減小了72.9%和19.98%,而電流THD則減小了33.4%,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能顯著提高。ThePWMrectifierisattractingmoreandmoreattentionduetoitsmeritsoflowcurrentharmonicdistortion,controllablepowerfactorandbidirectionalenergyflow.ThemostwidelyusedcontrolmethodsforPWMrectifiersarevoltageorientedcontrol(VOC)andDPC.VOCachievesexcellentsteady-stateanddynamicperformances,whichheavilydependoninternalcurrentcontrolandsystemparameters.DPCachievesquickcontrolofactivepowerandreactivepowerwithasimplestructure.However,ithasthedrawbacksofnon-fixedswitchingfrequencyandlargesteady-stateripplesThispaperproposesanimprovedDPCforthreephasePWMrectifiers,whosesteady-stateperformanceisimprovedbyusinganonzerovectorandazerovectorduringonecontrolperiod.Meanwhile,theadvantageoffastdynamicresponseoftheconventionalDPCismaintained.Theproposedmethodisverifiedbybothsimulationandexperimentalresults.Undertheconditionofbalancedgridvoltage,theslopesofactivepowerandreactivepowercanbeobtainedas:Afterselectingthenon-zerove