三相电压型并网逆变器预测直接功率控制

This paper investigates a novel direct power control, predictive direct power control
(P-DPC), for three-phase grid-connected voltage-sourced inverters(GC-VSI). Different strategies to select voltage vectors and their duration time appropriately are addressed to eliminate the low-orders harmonic of currents, and obtain better dynamic and static performance. The P-DPC, which is implemented in the stationary reference frame directly, can obtain a fixed switch frequency instead of the shortcoming of variable switching frequency appears in conventional look-up table direct power control (LUT-DPC) and, meanwhile, it still maintains the fast transient feature of DPC. Furthermore, it requires no synchronous reference frame transformation and space vector pulse width modulation. The simulation and experimental investigation on LUT-DPC, vector control and P-DPC are carried out on a 2kVA GC-VSI. The results show the effectiveness of the proposed P-DPC strategy and its application potential on renewable energy industry. Keywords： Grid-connected voltage sourced inverter (GC-VSI), predictive,direct power control (P-DPC), fixed switch frequency 得到了空前的发展。电压型并网逆变器 [1] 因其具有 较好的输入 / 输出特性、 有功功率和无功功率独立调 节等优势，被广泛地应用在可再生能源分布式发电 和高压直流输电等领域，其在智能电网技术中也有 着十分重要的作用和地位。 矢量控制（ VC）以其良好的稳态性能，被广泛
（ 5）
对式（ 5 ）求导，可得瞬时电压的变化率为
（ 6）
3
3.1
预测直接功率控制
预测直接功率控制原理 [11-12] 将式（ 4 ）和式（ 6）带入式（ 3） ，整理可得
2
电压源型并网逆变器的数学模型
图 1 为两相静止 αβ 坐标系中三相电压型并网
逆变器向量形式的等效电路。图中，U s 为电网电压 矢量； Vc 为逆变器交流侧电压矢量（电抗器与变换 器之间） ； Is 为交流电流矢量； L 为进线电抗器电 感值； R 为线路电阻。由图可得并网逆变器的电压 方程
(∆Q − ∆Q )P
+ (∆P
（ 12 ）
经计算、整理 , 可求得各个电压矢量的作用时 间 T1 , T2 , T0 分别为
+ ( ∆Q ∆ P − ∆ Q ∆P
b zero error zero b error zero b b zero s ⎧ T1 = ⎪ ∆Qzero ∆Pb + ∆Qa ∆Pzero + ∆Qb ∆Pa − ∆Qa ∆Pb − ∆Qb ∆Pzero − ∆Qzero ∆Pa ⎪ ⎪ ⎨ T = (∆Qzero − ∆Qb ) Perror + (∆Pb − ∆Pzero )Qerror + (−∆Qzero ∆Pa + ∆Qa ∆Pzero )Ts ⎪ 2 ∆Qzero ∆Pb + ∆Qa ∆Pzero + ∆Qb ∆Pa − ∆Qa ∆Pb − ∆Qb ∆Pzero − ∆Qzero ∆ P ⎪ ⎪ ⎩ T0 = Ts − T1 − T2
图1 Fig.1
静止坐标系下电压型并网逆变器等效电路 Equivalent circuit of a GC-VSI in the stationary frame
在两相静止 αβ 坐标系中， 三相电压型并网逆变
有功功率和无功功率的变化率分别为 dP ⎧ ∆Pk = Vc = Vk ⎪ ⎪ dt ⎨ ⎪ ∆Q = d Q Vc = Vk k ⎪ dt ⎩
研究了一种用于三相电压型并网逆变器的新型直接功率控制策略——预测直接功率控
制（ Predictive Direct Power Control， P-DPC） 。重点讨论了 P-DPC 不同的电压矢量选择原则和电 压矢量作用时间的处理方法，以降低低次电流谐波成分，获得更好的动、静态性能。该 P-DPC 可 实现恒定的开关频率，解决了传统开关表直接功率控制策略（ LUT-DPC）开关频率不固定的弊病， 继承了直接功率控制策略功率快速调节的固有特点，且无需旋转坐标变换和空间矢量脉宽调制。 在一台 2kVA 并网逆变器实验样机上对传统 LUT-DPC、 矢量控制和 P-DPC 进行了仿真和实验研究。 结果表明了本文提出方法的有效性和其在可再生能源开发利用中的工程实用前景。 关键词： 电压型并网逆变器 中图分类号： TM464 预测 直接功率控制 恒定开关频率
2011 年 7 月 第 26 卷第 7 期
电 工 技 术 学 报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
Vol.26 Jul.
No. 7 2011
三相电压型并网逆变器预测直接功率控制
尚 磊 孙 丹 胡家兵
杭州
贺益康
310027）
（浙江大学电气工程学院 摘要
dI U s = RI s + L s + Vc dt
1 1 ⎧d P = uα ( (uα − vc α ) + ωs iβ ) + u β ( (u β − vc β ) − ωs iα ) ⎪ ⎪ dt L L ⎨ d 1 1 Q ⎪ = uα (ωs iα − (u β − vc β )) + u β ( (uα − vc α ) + ωs iβ ) ⎪ L L ⎩ dt （ 7）
浙江省自然科学基金资助项目（ Y1080287 ）。 收稿日期 2010-01-11 改稿日期 1010-12-29
1
引言
随着能源危机的日益加剧和人们环保意识的增
强，风力发电、光伏发电等可再生能源开发利用及 分布式发电技术以及高压直流输电技术（ HVDC ）
用作电压型并网逆变器的控制技术 [2-4] 。但矢量控制 需要较为复杂的坐标旋转变换和空间矢量脉宽调制
⎧ ∆Pi × Ti ⎪∆P = P(k + 1) − P( k ) = ⎪ i =0 ⎨ 2 ⎪ ∆ = + − = ∆Qi × Ti Q Q ( k 1) Q ( k ) ⎪ i =0 ⎩
∑
2
（ 11 ）
（ 9）
据代数知识，在每个控制周期中 W 为最小值 时， E P , EQ 取得最小值。利用数学中求极值的方法
器的瞬时功率可以表示为
⎧ ⎪ P = uα iα + uβiβ ⎨ ⎪ ⎩Q = −uα iβ + uβiα
式中
（ 2）
uα , uβ 和 iα , iβ ——两相静止坐标系中电网电压
和电流的 α, β 分量。 对式（ 2 ）求导，可得瞬时功率的变化率为
d iβ d uβ ⎧d P di du = uα α + uβ + iα α + iβ ⎪ ⎪ dt dt dt dt dt ⎨ d d i u du di β β ⎪ d Q = −u − iβ α + iα + uβ α α ⎪ dt dt dt dt ⎩ dt
d Is 1 = (U s − Vc ) dt L
（ 3）
忽略电阻影响，由式（ 1）可得电流变化率为 （ 4）
在理想电网电压条件下电网电压的瞬时值可表 示为
⎧uα = Us sin (ωs t ) ⎪ ⎨ π ⎪uβ = Us sin(ωs t − ) = − Us cos (ωs t ) 2 ⎩
⎧ d uα = ωs Us cos (ωs t ) = −ωs uβ ⎪ ⎪ dt ⎨ ⎪ d uβ = ω U sin (ω t ) = ω u s s s s α ⎪ ⎩ dt
第 26 卷第 7 期
尚
磊等
三相电压型并网逆变器预测直接功率控制
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（ SVPWM） ，增加了系统的复杂程度，更使系统的 动、 静态性能很大程度上依赖于电流 PI 控制器参数 的调节。为提高系统的动态性能，基于交流电机直 直接功率控制也被提出并应用 接转矩控制 [5-7] 原理， 于并网逆变器中 [8-10] 。传统直接功率控制采用滞环 调节器，通过查表方式选择电压矢量，称之为开关 表直接功率控制（ LUT-DPC ） ，其特点是无需旋转 坐标变换，控制结构简单，动态响应快。但是该方 法的开关频率不恒定，会产生频率不固定的电流谐 波，造成电力滤波器的设计困难。为克服这一缺点， 文献 [11-12]提出了一种较为新颖的预测直接功率控 制（ P-DPC ）技术，既不需要旋转坐标变换，也无 需 SVPWM 技术，还可实现恒定的开关频率，但文 中采用的电压矢量选择及其有效作用时间的处理方 案会产生较为严重的低次电流谐波，因此必须进行 更为深入的分析和改进研究，进一步提出优化的矢 量选择、作用时间处理策略。 本文首先对电压型并网逆变器进行了数学建 模，然后对 P-DPC 的原理进行了介绍，并重点对电 压矢量选择和作用时间的处理进行了深入讨论。最 后，采用仿真和实验研究验证了所提出的矢量选择 策略和作用时间处理方法的有效性，达到有效消除 低次电流谐波的目的；并将传统的 LUT-DPC 、 VC 和 P-DPC 的动、静态性能进行了对比，进一步证明 了 P-DPC 既可快速地调节有功、无功功率，又可获 得良好的静态性能。
Predictive Direct Power Control of Three-Phase Grid-Connected Voltage-Sourced Inverters
Shang Lei Sun Dan Hu Jiabing He Yikang China） （ Zhejiang University Abstract Hangzhou 310027
由式（ 7 ）可看出，功率的变化率由电网的瞬时 电压、瞬时电流、进线电抗器电感量以及变换器交 流侧的输出电压所决定。一个采样周期内电网电压 和电流为常数，进线电抗器的电感值也为常数，因 此此时功率的变化率只由并网逆变器交流侧的输出 电压所决定。 定义并网逆变器交流侧输出电压矢量为 Vk ，则
（ 1）
⎧ ∂W ⎪ ∂T = 0 ⎪ 1 ⎨ ⎪ ∂W = 0 ⎪ ⎩ ∂T2
∑
于是，在一个控制周期结束时，功率的误差为 ⎧ ⎪ EP = Perror − ∆P （ 10 ） ⎨ ⎪ ⎩ EQ = Qerror − ∆Q 式中 Perror , Qerror — —每个控制周期开始时有功、无 功功率的误差。
（ 8）
218
电 工 技 术 学 报
2011 年 7 月
P-DPC 每个控制周期 Ts 内， 选用三个电压矢量
，因此，每个控制周期 作用（具体方法详见 3.2 节）
P-DPC 的控制目标是使一个控制周期结束时功
率的误差 E P , EQ 为最小 , 为此定义误差函数
2 2 W = EP + EQ
Ts 内功率的变化量可表示为
− ∆P )Q)T源自（ 13）式中T1 , T2 , T0 ——分别对应开关表中 Va ,Vb ,Vzero 矢