风电并网变换器直接功率控制策略
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图 2 系统结构框图
2.2.1 功率滞环比较器 基于 α，β 坐标系的并网逆变器 P=-（eαiα +eβiβ），
Q=-（eαiβ-eβiα）， 其 中 负 号 表 示 P，Q 的 方 向 为 流 向 电网。 功率滞环比较器的输入为 △P，△Q，输出为开 关 信 号 SP 和 SQ。 滞 环 比 较 器 的 滞 环 宽 度 为 2HP， 2HQ，值 得注意的是：滞环宽度的选取直接影响并网 逆变 器 输 出 电 流 的 THD、 平 均 开 关 频 率 和 瞬 时 功 率 的 跟 踪 能 力 。 当 HP，HQ 增 大 时 ，逆 变 器 平 均 开 关 频率随即降低，而谐波电流增大，功率跟踪能力下 降 ，因 此 HP，HQ 的 选 取 需 折 中 考 虑 ，通 常 约 为 功 率 给定值的 5%[5]，图 3 示出滞环比较器滞环特性。
JIN Ming-feng1， ZHAO Wei2， YANG Shu-ying1， ZHANG Xing1
（1.Hefei University of Technology， Hefei 230009， China） Abstract：This paper focuses on the direct power control of grid-connected converter in the back to back drive converter which is used for the direct-driven permanent synchronous wind-power generation system.Compared with conventional vector control strategy ，the direct power control strategy not only improves the converter dynamic response but also has better robust for parameter transformation.On the basis of establishing mathematical model of three-phase voltage source grid-connected inverter in static coordinate ，the direct power control mechanism of grid-connected inverter is elaborated and the design process of it is discussed.In order to test and verify the correctness and performance of direct power control，a 3 kW simulation and experimental platform is constructed and the corresponding experimental study is conducted. Keywords：converter； grid-connected； wind power generation； direct power control Foundation Project：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.51077034）
Fra Baidu bibliotek
使 逆 变 器 输 出 合 适 的 ur，使 I（0）沿 e-ur 方 向 变 化 得 到 的 I 跟 踪 I*。 如 图 4b 所 示 ， 设 e 在 θ12 区 域 内 ， 若 I 滞 后 并 小 于 I*， 此 时 P*-P ＞HP，Q*-Q ＞HQ，
由 滞 环 特 性 得 ：SP=SQ=1。 此情况下，ur 可使 I 沿 eur 矢 量 方 向 趋 近 于 I* 的 有 U5（001）和 U6（101），鉴
3.1 直接功率控制系统仿真研究 这里对上述理论进行仿真研究， 相关参数：
Udc=200 V，L=1 mH，交流输出相电压峰值 Um=50 V。 图 5a 为 当 P* 阶 跃 变 化 时 ，P，Q 的 仿 真 波 形 ，图 5b 为输出电流波形。
图 5 DPC 系 统 仿 真 波 形 （下 转 第 88 页 ）
第 45 卷第 8 期 2011 年 8 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.8 August 2011
风电并网变换器直接功率控制策略
金明凤 1， 赵 为 2， 杨淑英 1， 张 兴 1 （1.合 肥 工 业 大 学 ，电 气 与 自 动 化 工 程 学 院 ， 安 徽 合 肥 230009；
于 U5 的 跟 踪 时 间 快 于 U6，故 选 择 U5，从 而 使 I（0） 沿 e-U5 矢 量 方 向 变 化 得 到 的 I 趋 近 于 I*，P，Q 趋 近 于 P*，Q*，从 而 确 定 Sabc=001。
图 4 电压矢量扇区划分
同理对 e 处于其他扇区及对应的滞环输出结 果 SP，SQ 进行分析，即可得到开关表。
6结论
根据变速恒频风力发电的工作原理， 研究了 一种基于电网电压定向的双馈风力发电机空载并 网控制策略，采用一种新型软件锁相环技术，并在 实验平台上进行研究。 实验结果表明，该控制策略 可迅速控制发电机定子电压满足并网条件， 对电 网冲击较小，实现了双馈发电机的平滑并网。
参考文献
[1] Muller S，Deieke M，De Doneker R W.Doubly Fed In-
风电并网变流器直接功率控制策略
2.2 并网逆变器直接功率控制原理 并网逆变器矢量控制策略中，有功功率 P、无
功 功 率 Q 是 通 过 d，q 坐 标 系 下 相 关 电 流 的 闭 环 控制实现的。为获得功率的快速响应，借鉴了电机 控 制 中 DTC 的 思 路 ，即 DPC。 其思路为：首先检测 计算瞬时有功、无功功率 P，Q，将 其 与 给 定 功 率 P*， Q* 比 较 ， 偏 差 值 △P，△Q 通 过 滞 环 比 较 器 得 到 开 关 信 号 SP，SQ，结 合 空 间 电 压 矢 量 位 置 查 询 开 关 表 确 定 Sa，Sb，Sc。 系 统 结 构 如 图 2 所 示[3-4]。
3 直接功率控制系统仿真与实验
图 3 滞环比较器滞环特性
SP，SQ 仅 有 1 或 0 这 2 种 状 态 。 滞 环 比 较 器 的 滞 环 特 性 如 下 ： 当 △P＞HP 时 ，SP=1； 当 -HP＜△P ＜HP 时 ，d△P/dt＜0，SP=1； 当 △P＜-HP 时 ，SP=0； 当-HP＜ △P＜HP 时 ，d△P/dt＞0，SP=0。 无 功 功 率 滞 环 比 较 器 的滞环特性同上。 2.2.2 电压矢量扇区划分及开关表
关键词：变换器； 并网； 风力发电； 直接功率控制
中 图 分 类 号 ：TM46
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2011）08-0066-02
Direct Power Control of Grid-connected Converter Used for Wind-power Generation
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第 45 卷第 8 期 2011 年 8 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.8 August 2011
子 电 阻 为 2.57 Ω， 定 、 转 子 漏 感 皆 为 11 mH， 互 感 为 234 mH， 实 验 中 并 网 前 转 速 为 1 250 r·min-1。 图 3 示 出 定 子 电 压 us、 定 子 电 流 is 和 电 网 电 压 ug 的实验波形。
静止 α，β 坐标系下 的 数 学 模 型 为 ：
eα=Ldiα/dt+uα， eβ=Ldiβ/dt+uβ
（1）
式 中 ：eα，eβ，uα，uβ 分 别 为 es，us 在 α，β 轴 的 分 量 ；iα，iβ 为 is
在 α， β 轴 的 分 量 ；电 流 方 向 选 取 流 向 功 率 管 为 正 方 向 。
响不同， 需选择合适的电压矢 量 对 P，Q 进 行 调
节 。 开 关 表 通 过 SP，SQ 及 电 网 电 压 矢 量 位 置 来 确
定 DPC 控 制 所 需 的 开 关 状 态 Sk，从 而 决 定 桥 臂 输
出 电 压 矢 量 ur。
由并网逆变器的数学模型可得电流矢量为：
乙 I=I（0）+
化具有较好的鲁棒性。 在建立三相电压型并网逆变器静止坐标系下数学模型的基础上，阐述了并网逆变器直
接 功 率 控 制 机 理 ， 论 述 了 并 网 逆 变 器 直 接 功 率 控 制 的 设 计 过 程 。 搭 建 3 kW 仿 真 和 实 验 平 台 进 行 相 应 实 验 研
究，结果验证了直接功率控制设计的正确性。
路 拓 扑 结 构 。 Sk 为逆变器开关管 VSk 的开关函数， k=a，b，c，当 Sk=1 时 ，上 桥 臂 开 通 ，下 桥 臂 关 断 ；当 Sk=0 时，上桥臂关断，下桥臂开通[2]。
图 1 三 相 电 压 型 PWM 逆 变 器 并 网 拓 扑 结 构
根据图 1 可得三相电压型并网逆变器在两相
1 L
t
（e-ur）dt
0
（1）
式中：e 为电网电压矢量；I（0）为初始时刻电流矢量。
在一个采样周期 T 内 e-ur 不 变 ， 而 此 时 参 考 电流矢量为 I*，I* 由 P*，Q* 确定，则式（1）可改写为：
I = I （ 0 ） + T （ e - ur ） / L= I*
（2）
由 上 式 可 知 ，在 T 内 为 了 使 I 跟 踪 I*， 则 必 须
2.阳 光 电 源 股 份 有 限 公 司 ， 安 徽 合 肥 230088）
摘 要 ：针 对 直 驱 型 永 磁 同 步 风 力 发 电 机 背 靠 背 驱 动 变 换 器 中 的 网 侧 变 换 器 ，对 直 接 功 率 控 制 策 略 进 行 了 研 究 。
相对于常规矢量控制策略而言，引入直接功率控制策略不仅能够提高变换器的动态响应特性，而且对参数变
1引言
随着电力电子技术和永磁同步电机制造技术 的 发 展 ，在 变 速 恒 频 风 力 发 电 技 术 中 ，采 用 PMSM 的直驱系统能量损失少，维护成本低，成为变速恒 频风力发电极具潜力的主流技术之一。
直驱永磁同步风力发电机组中的驱动变换器 通常采用网侧变换器和机侧变换器组成的背靠背 变换器，这里对网侧变换器的控制策略展开研究。
类 似 于 直 接 转 矩 控 制 （DTC）， 直 接 功 率 控 制 （DPC） 是 通 过 对 逆 变 器 输 出 有 功 、 无 功 进 行 观 测 计算，与给定值比较后选择适当的空间电压矢量， 实 现 对 功 率 的 直 接 控 制 。DPC 系 统 算 法 简 单 ，动 态 响 应 快 ， 鲁 棒 性 好 ， 具 有 良 好 的 开 发 和 应 用 前 景 [1]。
基 金 项 目 ：国 家 科 学 自 然 基 金 （51077034） 定 稿 日 期 ： 2011-06-15 作 者 简 介 ： 金 明 凤 （1987- ）， 女 ， 江 苏 宿 迁 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 研究方向为风力发电变流技术。
66
2 并网逆变器直接功率控制系统
2.1 三相电压型并网逆变器的数学模型 图 1 示 出 三 相 电 压 型 PWM 并 网 逆 变 器 主 电
系 统 空 间 电 压 矢 量 由 8 个 矢 量 组 成 ， 即 U0～ U7， 其 中 U1～U6 为 非 零 矢 量 ，U0，U7 为 零 矢 量 。 6 个非零矢量将 α，β 平面平均分为 6 个区域，再平 分 得 到 12 个 扇 区 ， 如 图 4a 所 示 。 扇 区 号 用 n 表 示 ，n 可 根 据 eα，eβ 判 断 。 不 同 电 压 矢 量 对 P，Q 影
2.2.1 功率滞环比较器 基于 α，β 坐标系的并网逆变器 P=-（eαiα +eβiβ），
Q=-（eαiβ-eβiα）， 其 中 负 号 表 示 P，Q 的 方 向 为 流 向 电网。 功率滞环比较器的输入为 △P，△Q，输出为开 关 信 号 SP 和 SQ。 滞 环 比 较 器 的 滞 环 宽 度 为 2HP， 2HQ，值 得注意的是：滞环宽度的选取直接影响并网 逆变 器 输 出 电 流 的 THD、 平 均 开 关 频 率 和 瞬 时 功 率 的 跟 踪 能 力 。 当 HP，HQ 增 大 时 ，逆 变 器 平 均 开 关 频率随即降低，而谐波电流增大，功率跟踪能力下 降 ，因 此 HP，HQ 的 选 取 需 折 中 考 虑 ，通 常 约 为 功 率 给定值的 5%[5]，图 3 示出滞环比较器滞环特性。
JIN Ming-feng1， ZHAO Wei2， YANG Shu-ying1， ZHANG Xing1
（1.Hefei University of Technology， Hefei 230009， China） Abstract：This paper focuses on the direct power control of grid-connected converter in the back to back drive converter which is used for the direct-driven permanent synchronous wind-power generation system.Compared with conventional vector control strategy ，the direct power control strategy not only improves the converter dynamic response but also has better robust for parameter transformation.On the basis of establishing mathematical model of three-phase voltage source grid-connected inverter in static coordinate ，the direct power control mechanism of grid-connected inverter is elaborated and the design process of it is discussed.In order to test and verify the correctness and performance of direct power control，a 3 kW simulation and experimental platform is constructed and the corresponding experimental study is conducted. Keywords：converter； grid-connected； wind power generation； direct power control Foundation Project：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.51077034）
Fra Baidu bibliotek
使 逆 变 器 输 出 合 适 的 ur，使 I（0）沿 e-ur 方 向 变 化 得 到 的 I 跟 踪 I*。 如 图 4b 所 示 ， 设 e 在 θ12 区 域 内 ， 若 I 滞 后 并 小 于 I*， 此 时 P*-P ＞HP，Q*-Q ＞HQ，
由 滞 环 特 性 得 ：SP=SQ=1。 此情况下，ur 可使 I 沿 eur 矢 量 方 向 趋 近 于 I* 的 有 U5（001）和 U6（101），鉴
3.1 直接功率控制系统仿真研究 这里对上述理论进行仿真研究， 相关参数：
Udc=200 V，L=1 mH，交流输出相电压峰值 Um=50 V。 图 5a 为 当 P* 阶 跃 变 化 时 ，P，Q 的 仿 真 波 形 ，图 5b 为输出电流波形。
图 5 DPC 系 统 仿 真 波 形 （下 转 第 88 页 ）
第 45 卷第 8 期 2011 年 8 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.8 August 2011
风电并网变换器直接功率控制策略
金明凤 1， 赵 为 2， 杨淑英 1， 张 兴 1 （1.合 肥 工 业 大 学 ，电 气 与 自 动 化 工 程 学 院 ， 安 徽 合 肥 230009；
于 U5 的 跟 踪 时 间 快 于 U6，故 选 择 U5，从 而 使 I（0） 沿 e-U5 矢 量 方 向 变 化 得 到 的 I 趋 近 于 I*，P，Q 趋 近 于 P*，Q*，从 而 确 定 Sabc=001。
图 4 电压矢量扇区划分
同理对 e 处于其他扇区及对应的滞环输出结 果 SP，SQ 进行分析，即可得到开关表。
6结论
根据变速恒频风力发电的工作原理， 研究了 一种基于电网电压定向的双馈风力发电机空载并 网控制策略，采用一种新型软件锁相环技术，并在 实验平台上进行研究。 实验结果表明，该控制策略 可迅速控制发电机定子电压满足并网条件， 对电 网冲击较小，实现了双馈发电机的平滑并网。
参考文献
[1] Muller S，Deieke M，De Doneker R W.Doubly Fed In-
风电并网变流器直接功率控制策略
2.2 并网逆变器直接功率控制原理 并网逆变器矢量控制策略中，有功功率 P、无
功 功 率 Q 是 通 过 d，q 坐 标 系 下 相 关 电 流 的 闭 环 控制实现的。为获得功率的快速响应，借鉴了电机 控 制 中 DTC 的 思 路 ，即 DPC。 其思路为：首先检测 计算瞬时有功、无功功率 P，Q，将 其 与 给 定 功 率 P*， Q* 比 较 ， 偏 差 值 △P，△Q 通 过 滞 环 比 较 器 得 到 开 关 信 号 SP，SQ，结 合 空 间 电 压 矢 量 位 置 查 询 开 关 表 确 定 Sa，Sb，Sc。 系 统 结 构 如 图 2 所 示[3-4]。
3 直接功率控制系统仿真与实验
图 3 滞环比较器滞环特性
SP，SQ 仅 有 1 或 0 这 2 种 状 态 。 滞 环 比 较 器 的 滞 环 特 性 如 下 ： 当 △P＞HP 时 ，SP=1； 当 -HP＜△P ＜HP 时 ，d△P/dt＜0，SP=1； 当 △P＜-HP 时 ，SP=0； 当-HP＜ △P＜HP 时 ，d△P/dt＞0，SP=0。 无 功 功 率 滞 环 比 较 器 的滞环特性同上。 2.2.2 电压矢量扇区划分及开关表
关键词：变换器； 并网； 风力发电； 直接功率控制
中 图 分 类 号 ：TM46
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2011）08-0066-02
Direct Power Control of Grid-connected Converter Used for Wind-power Generation
67
第 45 卷第 8 期 2011 年 8 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.8 August 2011
子 电 阻 为 2.57 Ω， 定 、 转 子 漏 感 皆 为 11 mH， 互 感 为 234 mH， 实 验 中 并 网 前 转 速 为 1 250 r·min-1。 图 3 示 出 定 子 电 压 us、 定 子 电 流 is 和 电 网 电 压 ug 的实验波形。
静止 α，β 坐标系下 的 数 学 模 型 为 ：
eα=Ldiα/dt+uα， eβ=Ldiβ/dt+uβ
（1）
式 中 ：eα，eβ，uα，uβ 分 别 为 es，us 在 α，β 轴 的 分 量 ；iα，iβ 为 is
在 α， β 轴 的 分 量 ；电 流 方 向 选 取 流 向 功 率 管 为 正 方 向 。
响不同， 需选择合适的电压矢 量 对 P，Q 进 行 调
节 。 开 关 表 通 过 SP，SQ 及 电 网 电 压 矢 量 位 置 来 确
定 DPC 控 制 所 需 的 开 关 状 态 Sk，从 而 决 定 桥 臂 输
出 电 压 矢 量 ur。
由并网逆变器的数学模型可得电流矢量为：
乙 I=I（0）+
化具有较好的鲁棒性。 在建立三相电压型并网逆变器静止坐标系下数学模型的基础上，阐述了并网逆变器直
接 功 率 控 制 机 理 ， 论 述 了 并 网 逆 变 器 直 接 功 率 控 制 的 设 计 过 程 。 搭 建 3 kW 仿 真 和 实 验 平 台 进 行 相 应 实 验 研
究，结果验证了直接功率控制设计的正确性。
路 拓 扑 结 构 。 Sk 为逆变器开关管 VSk 的开关函数， k=a，b，c，当 Sk=1 时 ，上 桥 臂 开 通 ，下 桥 臂 关 断 ；当 Sk=0 时，上桥臂关断，下桥臂开通[2]。
图 1 三 相 电 压 型 PWM 逆 变 器 并 网 拓 扑 结 构
根据图 1 可得三相电压型并网逆变器在两相
1 L
t
（e-ur）dt
0
（1）
式中：e 为电网电压矢量；I（0）为初始时刻电流矢量。
在一个采样周期 T 内 e-ur 不 变 ， 而 此 时 参 考 电流矢量为 I*，I* 由 P*，Q* 确定，则式（1）可改写为：
I = I （ 0 ） + T （ e - ur ） / L= I*
（2）
由 上 式 可 知 ，在 T 内 为 了 使 I 跟 踪 I*， 则 必 须
2.阳 光 电 源 股 份 有 限 公 司 ， 安 徽 合 肥 230088）
摘 要 ：针 对 直 驱 型 永 磁 同 步 风 力 发 电 机 背 靠 背 驱 动 变 换 器 中 的 网 侧 变 换 器 ，对 直 接 功 率 控 制 策 略 进 行 了 研 究 。
相对于常规矢量控制策略而言，引入直接功率控制策略不仅能够提高变换器的动态响应特性，而且对参数变
1引言
随着电力电子技术和永磁同步电机制造技术 的 发 展 ，在 变 速 恒 频 风 力 发 电 技 术 中 ，采 用 PMSM 的直驱系统能量损失少，维护成本低，成为变速恒 频风力发电极具潜力的主流技术之一。
直驱永磁同步风力发电机组中的驱动变换器 通常采用网侧变换器和机侧变换器组成的背靠背 变换器，这里对网侧变换器的控制策略展开研究。
类 似 于 直 接 转 矩 控 制 （DTC）， 直 接 功 率 控 制 （DPC） 是 通 过 对 逆 变 器 输 出 有 功 、 无 功 进 行 观 测 计算，与给定值比较后选择适当的空间电压矢量， 实 现 对 功 率 的 直 接 控 制 。DPC 系 统 算 法 简 单 ，动 态 响 应 快 ， 鲁 棒 性 好 ， 具 有 良 好 的 开 发 和 应 用 前 景 [1]。
基 金 项 目 ：国 家 科 学 自 然 基 金 （51077034） 定 稿 日 期 ： 2011-06-15 作 者 简 介 ： 金 明 凤 （1987- ）， 女 ， 江 苏 宿 迁 人 ， 硕 士 研 究 生 ， 研究方向为风力发电变流技术。
66
2 并网逆变器直接功率控制系统
2.1 三相电压型并网逆变器的数学模型 图 1 示 出 三 相 电 压 型 PWM 并 网 逆 变 器 主 电
系 统 空 间 电 压 矢 量 由 8 个 矢 量 组 成 ， 即 U0～ U7， 其 中 U1～U6 为 非 零 矢 量 ，U0，U7 为 零 矢 量 。 6 个非零矢量将 α，β 平面平均分为 6 个区域，再平 分 得 到 12 个 扇 区 ， 如 图 4a 所 示 。 扇 区 号 用 n 表 示 ，n 可 根 据 eα，eβ 判 断 。 不 同 电 压 矢 量 对 P，Q 影