,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,浙江大学电气工程学院 贺益康 教授,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,浙江大学电气工程学院 贺益康 教授,*,1,并网逆变器,矢量控制与直接功率控制,孙丹,浙江大学,电气工程学院,1 并网逆变器 孙丹,2,DPC,概念,直接转矩控制（,DTC,）,采用电压空间矢量，跳过电流控制环节，通过控制电机定子磁链矢量的大小和转速，进而控制定、转子磁链矢量间夹角（转矩角或功率角），达到直接控制转矩的目的。,因,P,1,=,T,e,1,，对功率,P,1,的控制即为对转矩,T,e,的控制,基于,DTC,的原理，开发出,直接功率控制（,DPC,）,技术。,2 DPC 概念直接转矩控制（DTC） 采用电压空间矢量，,3,DPC,用途,可用于交流调速传动，但主要用于可逆传动的网侧变换器控制,3DPC用途可用于交流调速传动，但主要用于可逆传动的网侧变换,4,DPC,用途,变速恒频风力发电机的交流励磁变频器的,网侧变换器,4DPC用途变速恒频风力发电机的交流励磁变频器的,5,DPC,用途,光伏发电系统并网逆变器,5DPC用途光伏发电系统并网逆变器,6,DPC,用途,静止无功补偿装置（,STACOM,）的,电压源型变换器（,VSC,）,6DPC用途静止无功补偿装置（STACOM）的,7,网侧,PWM,变换器,网侧,PWM,变换器的主电路,VSC,交流侧,（,pole,）,交流输入阻抗,交流电网,VSC,直流侧,7网侧PWM变换器网侧PWM变换器的主电路VSC交流侧（po,8,网侧,PWM,变换器,设功率器件为理想开关，由基尔霍夫电压、电流定理可得：,(3.1.1),式中： 、 、 分别为三相桥臂的开关函数。,8 网侧PWM变换器设功率器件为理想开关，由基尔霍夫电压,9,网侧,PWM,变换器,三相无中线的系统,中有,：,(3.1.2),则,(3.1.3),该模型对包括电网电压不平衡、电压畸变等一般情况的分析都适用。,9 网侧PWM变换器三相无中线的系统中有：,10,网侧,PWM,变换器,三相电网电压基本平衡,时：,(3.1.4),则三相静止坐标系下网侧,PWM,变换器的数学模型为：,(3.1.5),10 网侧PWM变换器三相电网电压基本平衡时：,11,网侧,PWM,变换器,考虑交流侧输出的线电压为：,(3.1.6),输出相电压为：,(3.1.7),其中 ， ，,11 网侧PWM变换器考虑交流侧输出的线电压为：,12,网侧,PWM,变换器,则有：,(3.1.8),12 网侧PWM变换器则有：,13,网侧,PWM,变换器,两相静止,-,坐标系,下网侧,PWM,变换器的数学模型,其中： 、,-,交流电网,电压,、,分量值；,、,-,交流输入,电流,、,分量值；,、,-,变换器中三相全控桥,(,VSC,),交流侧电压,、,分量值；,、,-,开关函数的,、,分量。,13 网侧PWM变换器两相静止-坐标系下网侧PWM变,14,网侧,PWM,变换器,同步旋转坐标系,下网侧,PWM,变换器的数学模型,(3.1.21),其中： 、,-,交流电网,电压,、,轴分量；,、,-,交流输入,电流,、,轴分量；,、,-,三相全控桥,(,VSC,),交流侧,电压,、,轴分量；,、,-,开关函数的,、,轴分量；,-,电网电压的角频率。,14 网侧PWM变换器同步旋转坐标系下网侧PWM变换器的,15,网侧,PWM,变换器及其控制,为电网电压矢量,将,坐标系,d,轴 定向于电网电压矢量,，则有,电网电压定向后,15 网侧PWM变换器及其控制,16,网侧,PWM,变换器及其控制,网侧,PWM,变换器的,稳态分析,同步旋转坐标系下，稳态时各状态变量的导数等于零,，可得,稳态方程,为：,(3.1.23),(3.1.24),16 网侧PWM变换器及其控制网侧PWM变换器的稳态分析,17,网侧,PWM,变换器及其控制,网侧,PWM,变换器,稳态电压空间矢量图,(a,),一般情况,图中， 为线路的阻抗， 为功率因数角,(b),忽略电阻且功率因数为,1,i,g,=,17 网侧PWM变换器及其控制网侧PWM变换器稳态电压空,18,网侧,PWM,变换器及其控制,从图可见，若控制交流输入功率因数一定，则变换器,交流侧电压空间矢量,v,g,的末端,将始终沿阻抗三角形的,斜边滑动,规律：, 在相同的输出负载下,(,即 相同,),，变换器电流含 超前电流分量,( ),，需要较高的直流母线电压；, 变换器电流含滞后电流分量,( ),，需要的直流母线电压要低一些。,18网侧PWM变换器及其控制从图可见，若控制交流输入功率因数,19,网侧,PWM,变换器及其控制,规律：,如忽略电阻，功率因数为,1,时的稳态电压空间矢量,关系如图,3.2(b),所示,可以发现，,输出负载越大，所需最低直流母线电压就越高，即使在空载时也要高于电网线电压峰值,，这是网侧,PWM,变换器的,Boost,电路升压特性决定的。,19网侧PWM变换器及其控制可以发现，输出负载越大，所需最低,20,网侧,PWM,变换器及其控制,网侧,PWM,变换器的,瞬时功率,分析,从电网吸收的有功功率和无功功率为：,(3.1.30),(3.1.31),在坐标系,d,轴 定向于电网电压的同步旋转坐标系统中，有：,则,(3.1.32),(3.1.33),20 网侧PWM变换器及其控制网侧PWM变换器的瞬时功率,21,网侧,PWM,变换器及其控制,说明,:,大于零表示网侧,PWM,变换器工作于整流状态，从电网吸收能量；, 小于零表示网侧,PWM,变换器处于逆变状态，能量从直流侧回馈到电网。, 大于零表示网侧,PWM,变换器呈容性，从电网吸收超前的无功；, 小于零表示网侧,PWM,变换器呈感性，从电网吸收滞后的无功。,可见：,电流矢量的,d,、,q,轴分量 和 实际上分别代表了变换器的有功电流分量和无功电流分量。,21 网侧PWM变换器及其控制说明:,22,网侧,PWM,变换器及其控制,单位功率因数整流,工况时的功率流向,(a),整流运行,图,3.3,网侧,PWM,变换器在单位功率因数运行时的功率流动示意图,-,电网提供的有功功率；,-,直流侧负载功率；,-,交流侧线路电阻功耗；,-,变换器开关和导通损耗,-,直流母线电容等效并联电阻损耗、电容充放电功率,图,3.3(b),表示由直流侧有源负载提供的有功功率回馈给电网并补偿各种损耗功率的情况。,(b),逆变运行,22 网侧PWM变换器及其控制单位功率因数整流工况时的功,23,网侧,PWM,变换器及其控制,忽略各种损耗后，变换器的,直流侧与交流侧的功率平衡,关系：,(3.1.34),由式,(3.1.25),可得：,(3.1.35),23 网侧PWM变换器及其控制忽略各种损耗后，变换器的直,24,网侧,PWM,变换器及其控制,功率方程变为：,(3.1.36),(3.1.37),表明：,调节变换器交流侧电压空间矢量的两个分量，可以调节变换器从电网吸收的有功和无功分量，使变换器在不同的有功、无功状态下作四象限运行。,- i,gq,- i,gd,24 网侧PWM变换器及其控制功率方程变为：- igq-,25,网侧,PWM,变换器及其控制,网侧,PWM,变换器控制概况,网侧,PWM,变换器的主要的功能是保持直流母线电压的稳定、输入电流正弦和控制输入功率因数。,直流母线电压的稳定与否取决于交流侧与直流侧的有功功率是否平衡。如果能有效地控制交流侧输入有功功率，则能保持直流母线电压的稳定。,由于电网电压基本上恒定，所以对交流侧有功功率的控制实际上就是对输入电流有功分量的控制。,输入功率因数的控制实际上就是对输入电流无功分量的控制，,输入电流波形正弦与否主要与电流控制的有效性和调制方式有关。,因此，整个网侧,PWM,变换器的控制系统可以分为两个环节,:,电压外环控制及电流内环控制，如图,3.4,所示。,25 网侧PWM变换器及其控制网侧PWM变换器控制概况,26,网侧,PWM,变换器及其控制,图,3.4,网侧,PWM,变换器电流闭环控制系统,电流开环控制,也称为间接电流控制，根据网侧,PWM,变换器的稳态方程设计，无电流传感器，成本较低，其静态特性好，控制结构简便，但在暂态过程中有近,100%,的电流超调和剧烈振荡，,无法实用,。,26 网侧PWM变换器及其控制图3.4 网侧PWM变换器,27,网侧,PWM,变换器及其控制,电流闭环控制器种类很多可以把,网侧,PWM,变换器交流侧主电路,看成一台,虚拟的交流电机,来分析。,图,3.5,网侧,PWM,变换器交流侧主电路等效虚拟交流电机定子绕组示意图,27 网侧PWM变换器及其控制电流闭环控制器种类很多可以,28,网侧,PWM,变换器及其控制,凡是用于,PWM,逆变器供电交流电机的高性能控制方法大都均可应用于网侧,PWM,变换器的控制。如,:,电网电压定向矢量控制,(Voltage Oriented Control (,VOC,) );,电网磁链定向矢量控制,(Flux Oriented Control (,FOC,) );,虚拟电网磁链定向矢量控制,(Virtual Flux Oriented Control (,VFOC,);,直接转矩控制,(Direct Torque Control (,DTC,);,直接功率控制,(Direct Power Control (,DPC,),等。,28 网侧PWM变换器及其控制凡是用于PWM逆变器供电交流电,29,网侧,PWM,变换器及其控制,网侧,PWM,变换器控制与,PWM,逆变器驱动交流电机控制之间的关系,网侧,VSC,机侧,VSC,29 网侧PWM变换器及其控制网侧PWM变换器控制与PWM逆,网侧,PWM,变换器及其控制,在网侧,PWM,变换器的电流控制中，以,电网电压矢量,d,轴定向,的,电压电流双闭环,控制最为广泛。为省掉电压传感器，也可以采用虚拟电网磁链定向。,图,3.21,虚拟电网磁链定向的无电网电压传感器,网侧,PWM,变换器矢量控制框图,图中，利用两相电流和桥臂的开关信号估计出虚拟电网磁链的,、,分量，进而得到,的正弦、余弦值，以此进行坐标变换。,网侧PWM变换器及其控制在网侧PWM变换器的电流控制中，以,31,网侧,PWM,变换器及其控制,图中，利用两相电流和桥臂的开关信号估计出虚拟电网磁链的,、,分量；,进而得到,的正弦、余弦值；,以此进行坐标变换，获得无电网电压传感器的,d,轴虚拟磁链定向的同步旋转坐标系统，,据此实现了相应的矢量控制。,图,3.19,d,轴虚拟电网磁链定向的网侧,PWM,变换器,稳态矢量图,31 网侧PWM变换器及其控制图中，利用两相电流和桥臂的开关,32,VSC,VOC,策略,网侧,PWM,变换器,(,VSC,),传统控制方式,-,矢量变换控制,(VOC),原理,:,将,VSC,网侧交流电流分解成有功、无功分量，采用,2,个,PI,电流调节器控制,2,分量电流，实现,有功、无功功率的间接控制,缺点,:,有复杂的坐标旋转变换；,电流调节器整定难，特性受运行状态变化大；,电网电压不平衡时必须分解成正负序两套系统下实施,d-q,解耦控制；,PI,为线性控制器难满足非线性系统的优化控制。,32VSC VOC 策略网侧PWM变换器(VSC)传统控制方,33,VSC,DPC,策略,（传统）,DPC,策略,根据：, 瞬时有功、无功功率的误差,VSC,交流侧电压矢量的空间位置,采取二位滯环调节器，从优化的开关表中选择,VSC,三相开 关状态（即电压空间矢量），,直接控制产生的瞬时功率,大小，达到,消除功率误差,的目的。,优点：, 功率调节动态响应快, 无需矢量旋转变换、线性,PI,调节器及其引发缺陷, 能适应不平衡电压下的控制,33VSC DPC 策略（传统）DPC策略,34,VSC,DPC,策略,缺点：, 静态性能优劣取决滯环调节器带宽，有,静动态特性矛盾,VSC,开关频率不恒定,，带来滤波器设计困难、电流波形畸变、损耗发热及冷却有问题,动态性能还与电网、负载及运行工况有关,摆脱滞环控制器及查表方式的传统,DTC,策略，采用,定频后计算各矢量的优化作用顺序及时间，实现开关频率,恒定、功率波动小、电流畸变小的新型,DTC,策略,-,预测直接功率控制,（,Predicted Direct Power Control -,P-DPC,）,34VSC DPC 策略缺点：,35,VSC,DPC,策略,瞬时有功、无功功率定义,并网,VSC,电压、磁链关系,(1),(2),(3),并网,VSC,等值电路,(a),静止坐标系,35VSC DPC 策略瞬时有功、无功功率定义(a) 静止坐,36,VSC,DPC,策略,(b),同步速,d-q,坐标系,同步速,d-q,坐标系内,VSC,电路方程,(4),(5),(6),36VSC DPC 策略 (b) 同步速d-q坐,37,VSC,DPC,策略,当坐标系,d,轴定向在定子磁链矢量,s,上时,有,(7),(8),Fig. 2,同步速坐标系中电网,及网侧变换器交流侧磁链矢量,37VSC DPC 策略当坐标系d轴定向在定子磁链矢量s上,38,VSC,DPC,策略,从电网输入的有功、无功功率,则,(10),(9),说明,:,控制,d,、,q,轴,VSC,磁链,cq,、,cd,可以独立地控制,Ps,、,Qs,0,0,0,38VSC DPC 策略从电网输入的有功、无功功率 说明:,39,VSC,DPC,策略,传统,DPC,策略,当,sd,、,1,恒定时,(11),说明,:,有功,Ps,、无功,Qs,的变化取决于,d,、,q,轴,VSC,磁链,cq,、,cd,的变化,根据,有,离散化,(12),说明：控制所施加的电压矢量,可控制磁链的变化；,磁链矢量沿所施加的电压矢量方向运动；,运动速度正比于电压矢量的大小。,39VSC DPC 策略传统DPC策略说明：控制所施加的电,40,VSC,DPC,策略,对于,三相、二电平,VSC,，共有,6,个有效电压矢量，二个零电 压矢量,(a),图,3(a),两电平变换器,(b),电压空间矢量及其扇区划分,(b),40VSC DPC 策略 对于三相、二电平VSC，共有6个,41,VSC,DPC,策略,如果电网磁链矢量,s,的空间位置己知，则每个电压矢量对,VSC,磁链分量,cq,、,cd,的作用效果就可决定，继而可决定出对有功、无功功率的影响,按此原则可规划出优化,开关表,，决定出减少有功、无功功率控制误差的最佳电压空间矢量,-,传统查表法,LUT-DPC,策略,41VSC DPC 策略如果电网磁链矢量s的空间位置己知，,42,VSC,DPC,策略,查表法（,Look-Up-Table,）,LUT DPC,依据,:,(13),电压空间矢量平面均分,6,或,12,等分,(,区间,),根据电源磁链矢量,s,的空间,位置,可确定出各电压矢量,对,VSC,磁链分矢量,cq,、,cd,的影响,继而确定出对有功、,无功功率,Ps,、,Qs,的影响,Fig. 3,d-q,及,-,坐标系电网及网侧变换器磁链空间矢量,42VSC DPC 策略查表法（Look-Up-Table,43,VSC,DPC,策略,实测有功功率,Ps,、无功功率,Qs,，分别与其指令值,P,*,s,、,Q,*,s,相比较，其误差经滞环调节器调节，分别输出有功功率控制信号,S,P,、无功功率控制信号,S,Q,定义：,(14),Fig. 4 Schematic diagram of LUT-DPC for DC/AC converters,43VSC DPC 策略 实测有功功率Ps、无功功率Qs，分,44,VSC,DPC,策略,按此原则可规划出优化开关表，决定出减少有功、无功功率控制误差的最佳电压空间矢量,-,传统查表法,LUT-DPC,策略,区间（,）优化电压空间矢量表,表一：优化开关表,S,q,-1,0,1,S,p,-1,V,2,V,2,/ V,6,V,6,0,V,3,V,0,/ V,7,V,4,1,V,1,V,0,/ V,7,V,5,44VSC DPC 策略按此原则可规划出优化开关表，决定出减,45,VSC,DPC,策略,说明：,根据,:,P Sp cq V,Q Sq cd V,有,: ,V,3,: cd 0 Q 0 P 0 Sp = -1,V,1,: cd 0 Q 0 Sq = -1,cq = 0 P = 0 Sp = 0,V,5,: cd 0 Q 0 Sq = -1,cq 0 Sp = 1,S,q,-1,0,1,S,p,-1,V,3,V,3,/ V,2,V,2,0,V,1,V,0,/ V,7,V,6,1,V,5,V,0,/ V,7,V,4,区间（,II,）,45VSC DPC 策略 说明：Sq-101-1V3V3 /,46,VSC,DPC,策略, Sq = 0 Q = 0,时,选用只改变一桥臂元件的电压矢量,以降低开关频率。此时一般,采用零矢量，但,V,0,/V,7,则按开关次数少者选用。, 若,Sp = -1 P 0,Ps,V,3d,0, ,Q,s,69预测DPC 策略PWM电压空间矢量的顺序安排qdV2V3,70,预测,DPC,策略,Fig. 4 power variation under different voltage vector sequences,70预测DPC 策略Fig. 4 power variati,71,预测,DPC,策略,安排规律：,（,A,）序列,A,：两相邻采样周期,Ts,内，电压矢量,顺序相同。,(B),序列,B,：两相邻采样周期,Ts,内，有效电压矢量,顺序相反,但,只用,V,0,(C),序列,C,：两相邻采样周期,Ts,内，电压矢量,顺序相反, V,0,、,V,7,交替,使,用。,效果,:,采样周期,Ts,终点,瞬时,P,S,、,Q,S,均被调制到指令值,P,S,*,、,Q,S,*,。 但：, 序列,A,：,P,S,、,Q,S,平均值不等于,P,S,*,、,Q,S,*,，特别是,P,S,；, 序列,B,、,C,：因,2Ts,内波形对称，,P,S,、,Q,S,平均值等于,P,S,*,、,Q,S,*,；, 序列,C,：因,Ts,终点,插入,V,7,，有功,P,S,波动小,；,三种序列有,相同的无功,Q,S,波动,。,71预测DPC 策略安排规律：,72,预测,DPC,策略,原因分析：,某电压矢量作用下的功率波动可通过,改写式（,18,）,来预测，即用,（,25,）,对于,零矢量,V,cd,=,V,cq,= 0,则有,(26),由于,L,s,I,s,远比电源磁链,s,小,则,零矢量作用下,P,S, 0( P,S,增大,),而,Q,S, 0 (Q,S,不变,),0,0,72预测DPC 策略原因分析：00,73,预测,DPC,策略,分析,V,2,、,V,3,作用,因,V,2q,、,V,3q, 0 ,P,S, 0 ,Q,S, 0 Q,S,V,3d, 0 ,Q,S, 0 Q,S,故,V,2,、,V,3,作用,P,S,、,Q,S,曲线走势如图,(,图,),73预测DPC 策略分析V2、V3作用 (图),74,预测,DPC,策略,仿真研究,系统参数,Rated line-to-line voltage (rms):,138 V,Rated power,500 W,Source frequency,50 Hz,Line reactor resistance R,0.1 ,Line reactor inductance Ls,0.006 H,DC link voltage,250 V,Filter capacitor,40,F,开关频率,2.5kHz,采样频率,5kHz,Table I Parameters used in simulated vsc system,VSC,74预测DPC 策略仿真研究138 VRated power,75,预测,DPC,策略,动态响应,Fig. 5 (A) Various active and reactive power steps (a): Active power,input; (b) Reactive power input; (c) Three Phase line currents;,Ps = -300W (VSC,输出,), 0 +,300W (VSC,输入,),Qs = -300Var (,感性,), 0 +,300Var (,容性,),Ps,Qs,Three Phase line currents,P,、,Q,解耦性好,2Ts,内,P,、,Q,波形,(,图,5(B),与序列,C,分析,(,图,4),吻合,75预测DPC 策略动态响应Fig. 5 (A) Vario,76,预测,DPC,策略,实验研究,实验系统,Fig. 6 Experimental setup,76预测DPC 策略实验研究Fig. 6 Experime,77,预测,DPC,策略,动态响应,(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,I,nput (1 kW/div); (2) Reactive power input (1 kVAr/div);,(3) Phase A voltage (100 V/div);,(4) Phase A current (5 A/div).,Ps,Qs,77预测DPC 策略动态响应,78,预测,DPC,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,I,nput (1 kW/div); (2) Reactive power input (1 kVAr/div);,(3) Phase A voltage (100 V/div);,(4) Phase A current (5 A/div).,Ps,Qs,78预测DPC 策略,79,预测,DPC,策略,跟踪性能,P*,S,、,Q*,S,为,20Hz, 300 VA,交流指令, P,S,、,Q,S,跟踪误差小,(A),Active power variation, (1): Active power reference (1 kW/div); (2) Measured active power (1 kW/div); (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 error (1 kVAr/div);,Fig. 8 Experimental results showing the tracking of varying active and reactive power references,P*,S,Q*,S,P,S,Q,S,P,error,Q,error,79预测DPC 策略跟踪性能 (A) Active powe,80,预测,DPC,策略,恒频特性验证,Fig. 9 Experiment line current harmonic spectrum of the proposed CSF DPC,线电流频谱表明主体频率为,2.5kHz(,开关频率,),及其倍频,80预测DPC 策略恒频特性验证,81,VSC,DPC,策略,REFERENCES,1,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 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. 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