基于功率预测模型的并网逆变器直接功率控制

率值。仿真结果分析，该控制策略有较好的动静态性能，可实现恒定的开关频率，与直接功率控制相比体现出更
好的谐波抑制效果。
关键词：三相并网逆变器；功率预测模型；直接功率控制；对称式电压矢量序列
中图分类号：TM464
文献标识码：A
文章编号：1001-1390（2013）08-0026-05
Model-Based Predictive Direct Power Control of Three-Phase Grid-Connected Inverters
＊ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１０７４０００７）
来困难。 针对该问题，本文以并网逆变器交流侧输出电压
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第 50 卷 总第 572 期 2013 年 第 8 期
电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation
Vol.50 No.572 Aug. 2013
VK（α k） VK（β k）
%－
vT（α k） vT（β k）
%
（6）
因此，由式（6）可知要实现三相逆变器的控制就
需要在第k时刻预测出从第k时刻到第k+1时刻有功和
无功功率的变化值。
设在第k时刻，实际瞬时有功、无功功率值同参考
值的误差为:
δP（k） Pre（f k）－P（k） =
δQ（k） Qre（f k）－Q（k）
为控制对象，采用一定的功率预测算法，建立功率预
测模型，提出了一种基于功率预测模型的三相并网逆
变器的直接功率控制策略。该策略利用预测模型，得
到逆变器交流侧的参考输出电压，再采用空间矢量调
制的手段，选择对称式电压空间矢量序列控制输出电
压，保证瞬时功率有效跟踪参考功率，从而确保逆变
器开关频率稳定，输出电流谐波成分小。
=
（3）
Q（k+1）－Q（k） vT（β k）－vT（α k） iT（β k+1）-iT（β k）
由图1，对于逆变器每个桥臂有式（4），其中VK为
逆变器交流侧输出电压矢量。
VK=RiT+L
diT dt
+vT
（4）
忽略滤波电感电阻值，变换上式为一阶差分方程
[7]
可得 ：
图1 三相并网逆变器主电路图 Fig.1 Three-phase voltage grid-connected inverter
近年来，随着能源危机逐渐加剧，可再生绿色能
[1]
源的开发利用被人们逐渐重视 ，三相电压型并网逆
[2]
变器作为电网与可再生能源的连接部分 ，其性能好
[4]
法更为快速、简单，基于交流电机直接转矩控制 思想
[5]
的直接功率控制（DPC） 被提出并得到广泛的应用。 但传统的DPC系统采用滞环比较器通过查询开关矢
（7）
根据直接功率控制控制目标，任一时刻瞬时有
功、无功功率值能够跟踪参考有功、无功功率值ห้องสมุดไป่ตู้即在
第k+1时刻使Pre（f k+1）= P（k+1）、Qre（f k+1）= Q（k+1）。
k+1时刻的参考值可以根据k时刻功率参考值及k-1时
刻功率的参考值通过线性插值法可得，有：
Pre（f k+1） 2Pre（f k） Pre（f k－1）
摘要：传统的直接功率控制（DPC）存在开关频率随采样时间、负载参数和系统状态变化而变化，产生分散的谐波
成份的问题。本文提出了一种基于功率预测模型的三相并网逆变器直接功率控制策略。该控制策略将一定的预
测算法与瞬时功率理论结合，以逆变器交流侧输出电压为控制对象，建立功率预测模型，得到参考输出电压，同
时为了减小开关损耗，选择对称式电压空间矢量序列控制逆变器输出电压，从而控制瞬时功率有效跟踪参考功
T
一定，当开关频率足够大时, VT=［VTα VTβ］为一常数，
因而在给定的电压矢量时间内，功率变化率可以认为
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式中 ta1, ta2, ta3为三个所选电压矢量所对应的作用时
YANG Jian，LI Ying-hui，LI Ning （College of Aeronautics and Astronautics Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710038, China）
Abstract：The traditional direct power control（DPC）has the problem that switch frequency varies with the changes
由式（1）可得到在一个采样周期前后有功功率和
无功功率的变化为：
P（k+1）－P（k） vT（α k+1）vT（β k+1） iT（α k+1）
=
－
Q（k+1）－Q（k） vT（β k+1）－vT（α k+1） iT（β k+1）
vT（α k）vT（β k） iT（α k） vT（β k）－vT（α k） iT（β k）
of sample time, load parameter and system state, which result in the dispersive harmonic. Therefore, this paper puts
forward a control strategy of Model-based predictive direct power control. Combining some predictive algorithm with
是一近似常数，即得：
kPi=ΔP V軑k=V→i
→→
kQi=ΔQ Vk=Vi
（11）
式中 Vi表示8个基本电压矢量中之一，如图2所示。
图2 电压矢量图 Fig.2 Voltage vector
因而我们可以得出预测轨迹，如下式所示：
Pi－Pi－1=kPitai
Qi－Qi－1=kQitai
（12）
式中 Pi－1、Qi－1为第i个电压矢量作用初的初始值；tai是第
to reduce the wastage of the switch, the strategy chooses the symmetry type electric voltage vector sequence to
control the instantaneous power which can follow the reference power value. By simulation analysis, it is verified that
（2）
一般情况下三相并网逆变器采样周期一般为几
千赫兹，电网电压周期远远小于采样周期，即可认为
电 网 电 压 在 一 个 采 样 周 期 内 的 电 压 是 不 变 的 ，即
v T（k+1）≈v（T k），进线电抗器的电感值也为常数，则
式（2）可以简化为：
P（k+1）－P（k） vT（α k） vT（β k） iT（α k+1）－iT（α k）
instantaneous active and reactive power theory, and taking the inverter AC side output voltage as control target, the
control strategy sets up the power predictive model of the Inverters to obtain the reference value. Meanwhile, in order
1 逆变器的功率预测模型
三相逆变器主电路如图1所示，将三相电压、电流
转换到αβ静止坐标系中，并假设电网输入侧电压为
三相对称，按照文献对有功、无功功率的定义有：
P vTα vTβ iTα =
Q vTβ －vTα iTβ
（1）
式中vTα、vTβ、iTα、iTβ分别为电网电压vT、逆变器滤波电
感电流iT在静止αβ坐标系中的分量。
VK（α k） vT（α k）
=
+
L
×
VK（β k）
vT（β k）
2
2
T（S vT（α k）+vT（β k））
vT（α k）vT（β k） Pre（f k）－Pre（f k－1）+δP（k） ×
vT（β k）－vT（α k） Qre（f k）－Qre（f k－1）+δQ（k）
（10）
由式（10）可知，利用当前采样时刻信息，通过计
the control strategy can obtain better dynamic and static performance, which has a fixed switch frequency and has
the better restrain effect of harmonic compared with direct power control.
=
－
Qre（f k+1） 2Qre（f k） Qre（f k－1）
（8）
则可得第k时刻到第k+1时刻有功和无功功率的
变化值为：
P（k+1）－P（k） Pre（f k）－Pre（f k－1）+δP（k）
=
（9）
Q（k+1）－Q（k） Qre（f k）－Qre（f k－1）+δQ（k）
将式（9）代入式（6）中整理得：
≈ ≈ iT（α k+1）－iT（α k） = Ts
iT（β k+1）－iT（β k） L
VT（α k） VT（β k）
%－
vT（α k） vT（β k）
%
（5）
将式（5）代入式（2）可得：
P（k+1）－P（k）
Q（k+1）－Q（k）
≈ ≈ = TS vT（α k）vT（β k） × L vT（β k）－vT（α k）
跟踪效果，使一个采样周期结束时功率的误差最小，
［10］
定义如下误差函数 ：
2
2
K=eKp +eKq
（13）
在式（13）中eKp、eKq分别为：
eKp=Pre（f k+1）－P（k）－2kp1ta1－2kp2ta2－2kp3ta3
eKq=Qre（f k+1）－Q（k）－2kq1ta1－2kq2ta2－2kq3ta3 （14）
i个电压矢量作用时间；Pi、Qi为作用后的终值。
如图3所示，3+3对称开关模式就是把电压矢量序
列分解为对称的两个子序列，使两个子序列的电压矢
量是相同的，其作用时间也是相同的，只是作用顺序
相反。在每个控制周期的开始，控制器选择三个电压
矢量。选择原则是：逆变器桥臂的开关管在线电流值
最大时不动作，以避免过大的电流损耗。
坏直接影响整个发电系统。因此，对三相并网逆变器 量表选择电压矢量实现控制，因此滞环宽度会直接影
控制方法的研究具有一定现实意义。
响控制效果，且在宽度固定时，开关频率不恒定，并会
目前，三相电压型并网逆变器的控制主要采用矢 造成频率不固定的电流谐波，给电力滤波器的设计带
[3]
量控制（VC）技术 ，但VC需要复杂的同步速旋转坐
算可得逆变器交流侧第k个采样周期应输出电压。因
此，通过控制逆变器输出电压VK可以控制有功和无功
功率变化，实现直接功率控制的控制目标。
2 对称式电压空间矢量序列
在建立功率预测模型的基础上，对于逆变器的控
制采用“3+3对称电压矢量序列”。
由式（6）可知功率变化与滤波电感及逆变器开关
T
状态有关，在给定某一电压矢量时，Vk=［Vkα Vkβ］保持
图3 对称式电压空间矢量 Fig.3 Symmetry type voltage vector
如图2所示，电压矢量将区域划分为6个60°的扇
区或12个子扇区。由于最近的电压矢量引起的电流纹
波最小，因而当参考电压矢量处于θi扇区时，选取的
电压矢量应为{vi vi-1 vi+1}和{v0 v7}。
为了实现直接功率控制的控制目标，达到最优的
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基于功率预测模型的并网逆变器直接功率控制
杨健，李颖晖，李宁
（空军工程大学 航空航天工程学院，西安 710038）
Key words：three -phase grid -connected inverters，power predictive model，direct power control, symmetry type
electric voltage vector sequen
0引言
标变换和空间矢量脉宽调制（SVPWM）。为使控制方