CN104617798A - 三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法 - Google Patents

三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法，该方法是通过在瞬时功率理论的基础上得出改进矢量表，即在一个控制周期内同时引入一个或两个非零矢量和一个零矢量，然后根据电网电压位置角所在扇区、有功功率与无功功率的实际值和有功功率与无功功率的参考值，从改进矢量表中选择两个或三个可以同时减小有功功率、无功功率与参考值间误差的最佳电压矢量。本发明方法控制简单，算法简单，易于实现，可以明显地减小有功功率波动和电流谐波，保证系统的控制品质。

Description

三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法
技术领域
本发明属于电力电子与电气传动的变换器控制领域，具体涉及一种三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法。
背景技术
三相电压型脉宽调制变换器以其输入电流正弦度好、单位功率因数、及能量双向流动等优点，广泛应用于整流、交流调速、有源滤波、无功补偿和新能源并网发电等领域。其经典的控制方法主要包括电网电压定向控制(voltage oriented control，VOC)和直接功率控制(direct power control，DPC)。在DPC中，开关表的优劣直接影响整个系统的控制性能，目前有多种开关表的建立途径：从功率守恒的角度对变换器进行建模分析；通过分析电流与空间电压矢量和功率的关系；通过一种基于DPC的最优向量通用判据来选择合适的电压矢量实现有功功率和无功功率的控制；在变换器数学模型的基础上结合瞬时功率理论定性分析电压矢量与输入有功、无功功率的关系等。在瞬时功率理论基础上得出的传统直接功率控制矢量表中，能使有功功率增加且无功功率增加和能使有功功率增加且无功功率减少的非零矢量有两个而并非一个，致使有功功率具有较大的稳态纹波。因此本发明提出一种三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法，该方法不仅算法简单，更明显地减小了有功功率的稳态纹波。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题而提供一种三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法。
为实现上述目的本发明采用如下技术方案，三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法，包括以下步骤：(1)、检测三相功率变换器系统的三相电网电压、三相输入电流和直流母线电压；(2)、将检测到的三相电网电压和三相输入电流经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和输入电流采样值，并计算出有功功率与无功功率的实际值；(3)、将三相电网电压信号经过软件锁相环(PLL)得到电网电压位置角，并将其分为0°-60°、60°-120°、120°-180°、180°-240°、240°-300°和300°-360°六个扇区；(4)、将直流母线电压参考值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值做差，经过PI控制器得到电流参考值，电流参考值与直流母线电压实际值相乘得到有功功率参考值，且设无功功率的参考值为0；(5)、通过步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压、有功功率与无功功率的实际值和8种不同的电压矢量计算出相应电压矢量作用下有功、无功功率的变化率，当变化率大于零时说明该电压矢量能使功率增加，当变化率小于零时说明该电压矢量能使功率减少；(6)、在不同扇区根据有功、无功功率变化率得出8种不同电压矢量中能使有功功率增加且无功功率增加的两个非零矢量和能使有功功率增加且无功功率减少的两个非零矢量，以及能使有功功率减少且无功功率增加的一个非零矢量和能使有功功率减少且无功功率减少的一个非零矢量，再考虑零矢量的加入，即每个扇区得到2组均包括两个非零矢量和一个零矢量的矢量组合和2组均包括一个非零矢量和一个零矢量的矢量组合，则电网电压在0°-360°区间内，得出24组矢量组合；(7)、根据步骤(6)得到有功、无功功率在不同扇区内受不同电压矢量作用时的变化趋势，建立对应的改进矢量表；(8)、将步骤(2)得到的有功、无功功率的实际值和步骤(4)得到的有功、无功功率的参考值比较得出有功、无功功率实际值的变化趋势；(9)、根据电网电压位置角所在扇区和有功、无功功率实际值的变化趋势从步骤(7)中得到的改进矢量表中选择相应的电压矢量组，并根据该矢量组各个矢量对有功、无功功率的变化率和有功、无功功率的参考值与实际值的差值进行计算，得出相应矢量作用的时间；(10)、将步骤(9)得到的控制矢量作用的时间转换为控制功率器件的开关信号。
本方法控制算法简单，易于实现，可以明显减小有功功率波动和电流谐波，保证系统的控制品质。
附图说明
图1为三相功率变换器主电路结构；图2为有功功率为1000W无功功率为0Var时，变换器输入侧电压矢量对有功、无功功率的变化率；图3为三个矢量(如 V 3、 V 4、 V 0)时开关模式生成方法图；图4为三相功率变换器变矢量个数直接功率控制框图；图5为采用传统直接功率控制矢量表的交流侧a相电流波形图和频谱图；图6为采用改进矢量表的交流侧a相电流波形图和频谱图；图7为采用传统直接功率控制矢量表的有功、无功功率实验波形图；图8为采用改进矢量表的有功、无功功率实验波形图。
具体实施方法
下面结合附图对本发明做进一步说明。
三相功率变换器主电路拓扑结构如图1所示。图中，u ga、u gb、u gc为交流侧三相电压源，i ga、i gb、i gc为交流侧三相电流，v ga、v gb、v gc为变换器输入侧三相电压，U dc为直流侧母线电压，L和R分别为进线电感及其等效电阻，C为直流滤波电容，直流侧负载由电阻R L 等效表示。
三相功率变换器的数学模型可通过坐标变换转换到两相静止坐标系中，表示为
                                                                                                         (1)
式中：u gα、u gβ分别为α、β轴电网电压，i gα、i gβ、v gα、v gβ分别为变换器α、β轴输入电流和输入电压。两相静止α、β坐标系下变换器输入电压可分别由8个电压矢量表示(如表1所示)，其中6个为非零矢量( V 1- V 6)，2个为零矢量( V 0， V 7)。
表1  两相静止α、β坐标系下8个电压矢量值表
电压矢量（S a S b S c） v gα v gβ
V 1（100） 2U dc /3 0
V 2（110） U dc /3 Udc /3
V 3（010） -U dc /3 Udc /3
V 4（011） -2U dc /3 0
V 5（001） -U dc /3 Udc /3
V 6（101） U dc /3 Udc /3
V 0（000）， V 7（111） 0 0
根据瞬时功率理论，可得瞬时有功功率p和瞬时无功功率q分别为
                                                                                         (2)
对(2)式进行微分，假设三相电网电压平衡且正弦，可得瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的微分为
                            (3)
式中：ω为电网电压的角频率。式(3)为预测施加不同电压矢量时有功、无功功率的变化提供了依据。
根据式(3)可以得出在不同电压矢量作用下的有功、无功功率变化率，如图2所示。从图2中可以直观的看出零矢量可以缓冲有功功率无功功率的变化，有效地减小功率纹波，改善稳态性能。
表2  传统直接功率控制矢量表
  p增加q增加 p增加q减少 p减少q增加 p减少q减少
0°-60° V 4， V 0 V 6， V 0 V 2， V 0 V 1， V 0
60°-120° V 5， V 0 V 1， V 0 V 3， V 0 V 2， V 0
120°-180° V 6， V 0 V 2， V 0 V 4， V 0 V 3， V 0
180°-240° V 1， V 0 V 3， V 0 V 5， V 0 V 4， V 0
240°-300° V 2， V 0 V 4， V 0 V 6， V 0 V 5， V 0
300°-360° V 3， V 0 V 5， V 0 V 1， V 0 V 6， V 0
在传统直接功率控制矢量表(如表2所示)中，一个控制周期内同时引入矢量表选择的一个非零矢量和一个零矢量，但根据图2可以得出在每个扇区既能使有功功率增加且无功功率增加和既能使有功功率增加且无功功率减少的非零矢量有两个而并非一个，致使有功功率有较大的稳态纹波。因此本发明在使有功功率增加且无功功率增加和使有功功率增加且无功功率减少时引入两个非零矢量和一个零矢量，在使有功功率减少且无功功率增加和使有功功率减少且无功功率减少时引入一个非零矢量和一个零矢量，即每个扇区可得到2组均包括两个非零矢量和一个零矢量的矢量组合和2组均包括一个非零矢量和一个零矢量的矢量组合，则电网电压在0°~360°区间内，可得出24组矢量组合。根据有功、无功功率在不同扇区内受不同电压矢量作用时的变化趋势，可建立对应的改进矢量表(如表3所示)。根据有功、无功功率的实际值和参考值比较得出实际值的变化趋势，再根据电网电压位置角所在扇区从改进矢量表中选择相应的电压矢量组。
表3  本发明采用的改进矢量表
  p增加q增加 p增加q减少 p减少q增加 p减少q减少
0°-60° V 3， V 4， V 0 V 5， V 6， V 0 V 2， V 0 V 1， V 0
60°-120° V 4， V 5， V 0 V 1， V 6， V 0 V 3， V 0 V 2， V 0
120°-180° V 5， V 6， V 0 V 1， V 2， V 0 V 4， V 0 V 3， V 0
180°-240° V 1， V 6， V 0 V 2， V 3， V 0 V 5， V 0 V 4， V 0
240°-300° V 1， V 2， V 0 V 3， V 4， V 0 V 6， V 0 V 5， V 0
300°-360° V 2， V 3， V 0 V 4， V 5， V 0 V 1， V 0 V 6， V 0
当选用一个非零矢量和一个零矢量时，假设非零矢量和零矢量在k时刻对应的有功功率的变化率分别为f 1和f 2，k时刻的有功功率为p k ，则可以预测得到在k+1时刻的有功功率p k+1为
                                                                     (4)
其中f 1和f 2根据式(3)计算得到。式中：t 1表示非零矢量的作用时间，t sc表示控制采样周期。
假设在k+1时刻有功功率等于参考值p ref，由式(4)可求得非零矢量的作用时间t 1和零矢量的作用时间t 0
                                                                                         (5)
注意，如果根据式(5)计算得到的t 1<0或者t 1>t sc，表示仍处于动态过程，此时t 1=t sc以维持系统的动态响应。
当选用两个非零矢量和一个零矢量时，假设非零矢量和零矢量在k时刻对应的有功功率的变化率分别为f p1、f p2和f p0，无功功率的变化率分别为f q1、f q2和f q0，k时刻的有功功率和无功功率分别为p k 、q k ，则可以预测得到在k+1时刻的有功功率p k+1、无功功率q k+1分别为
                                                (6)
式中：t 1、t 2表示两个非零矢量的作用时间；t sc表示控制采样周期。
假设在k+1时刻有功功率无功功率分别等于参考值p ref、q ref，由式(6)可求得非零矢量的作用时间t 1、t 2和零矢量的作用时间t 0
                    (7)
开关状态的控制应遵循开关次数最少原则，为达上述目的，对式(7)做如下改进
    (8)
其中f p1、f p2、f p0、f q1、f q2和f q0根据式(3)计算得到。注意，在某个开关周期内，当两个非零矢量的作用时间t 1+t 2>t sc时，在该周期内零矢量不作用，两个非零矢量的作用时间调整为
                                                                                             (9)
其开关模式生成方法(以 V 3、 V 4、 V 0为例)如图3所示。
图4为三相功率变换器变矢量个数直接功率控制框图。其控制方法具体包括如下步骤：
(1)、检测三相功率变换器系统的三相电网电压u ga、u gb、u gc、三相输入电流i ga、i gb、i gc和直流母线电压U dc；
(2)、将检测到的三相电网电压u ga、u gb、u gc和三相输入电流i ga、i gb、i gc经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压u gαβ和输入电流采样值i gαβ，并通过公式(2)计算出有功、无功功率的实际值p、q；
(3)、将三相电网电压信号经过软件锁相环(PLL)得到电网电压位置角θ，并将其分为0°-60°、60°-120°、120°-180°、180°-240°、240°-300°和300°-360°六个扇区；
(4)、将直流母线电压参考值U dc ref与步骤(1)得到的直流母线电压实际值U dc做差，经过PI控制器得到电流参考值，电流参考值与直流母线电压实际值U dc相乘得到有功功率参考值p ref，且设无功功率的参考值q ref为0；
(5)、通过步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压u gαβ、有功功率与无功功率的实际值p、q和8种不同的电压矢量根据公式(3)计算出相应电压矢量作用下有功、无功功率的变化率(如图2所示)，当变化率大于零时说明该电压矢量能使功率增加，当变化率小于零时说明该电压矢量能使功率减少；
(6)、在不同扇区根据有功、无功功率变化率得出8种不同电压矢量中使有功功率增加且无功功率增加的两个非零矢量和使有功功率增加且无功功率减少的两个非零矢量，以及使有功功率减少且无功功率增加的一个非零矢量和使有功功率减少且无功功率减少的一个非零矢量，再考虑零矢量的加入，即每个扇区得到2组均包括两个非零矢量和一个零矢量的矢量组合和2组均包括一个非零矢量和一个零矢量的矢量组合，则电网电压在0°-360°区间内，得出24组矢量组合；
(7)、根据步骤(6)得到有功、无功功率在不同扇区内受不同电压矢量作用时的变化趋势，建立对应的改进矢量表(如表3所示)；
(8)、将步骤(2)得到的有功、无功功率的实际值p、q和步骤(4)得到的有功、无功功率的参考值p ref 、q ref比较得出有功、无功功率实际值的变化趋势；
(9)、根据电网电压位置角所在扇区和有功、无功功率实际值的变化趋势从步骤(7)中得到的改进矢量表中选择相应的电压矢量组，并根据该矢量组各个矢量对有功、无功功率的变化率和有功、无功功率的参考值与实际值的差值根据公式(5)或公式(8)进行计算，得出相应矢量作用的时间t 0、t 1或t 0、t 1、t 2；
(10)、将步骤(9)得到的控制矢量作用的时间t 0、t 1或t 0、t 1、t 2转换为控制功率器件的开关信号。
图5为采用传统直接功率控制矢量表的交流侧a相电流波形图和频谱图。图6为采用改进矢量表的交流侧a相电流波形图和频谱图。由图5和图6对比可看出，采用改进矢量表可以减小电流畸变，容易获得较高的电能质量，且电流的总谐波畸变由7.64%降到6.88%。
图7为采用传统直接功率控制矢量表的有功、无功功率实验波形。图8为采用改进矢量表的有功、无功功率实验波形。由图7和图8对比可明显看出，采用改进矢量表可以明显地减小有功功率的波动，且无功功率的波形较好。
综上所述，本发明的控制方法是通过在瞬时功率理论的基础上得出改进矢量表，即在一个控制周期内同时引入一个或两个非零矢量和一个零矢量，然后根据电网电压位置角所在扇区、有功功率与无功功率的实际值和有功功率与无功功率的参考值，从改进矢量表中选择两个或三个可以同时减小有功功率、无功功率与参考值间误差的最佳电压矢量。本发明方法控制简单，算法简单，易于实现，可以明显地减小有功功率波动和电流谐波，保证系统的控制品质。

Claims (1)

1.三相功率变换器变矢量个数直接功率控制方法，其特征在于包括以下步骤：(1)、检测三相功率变换器系统的三相电网电压、三相输入电流和直流母线电压；(2)、将检测到的三相电网电压和三相输入电流经过3/2变换模块得到两相静止坐标系下的电网电压和输入电流采样值，并计算出有功功率与无功功率的实际值；(3)、将三相电网电压信号经过软件锁相环得到电网电压位置角，并将其分为0°-60°、60°-120°、120°-180°、180°-240°、240°-300°和300°-360°六个扇区；(4)、将直流母线电压参考值与步骤(1)得到的直流母线电压实际值做差，经过PI控制器得到电流参考值，电流参考值与直流母线电压实际值相乘得到有功功率参考值，且设无功功率的参考值为0；(5)、通过步骤(2)得到的两相静止坐标系下的电网电压、有功功率与无功功率的实际值和8种不同的电压矢量计算出相应电压矢量作用下有功、无功功率的变化率，当变化率大于零时说明该电压矢量能使功率增加，当变化率小于零时说明该电压矢量能使功率减少；(6)、在不同扇区根据有功、无功功率变化率得出8种不同电压矢量中使有功功率增加且无功功率增加的两个非零矢量和使有功功率增加且无功功率减少的两个非零矢量，以及使有功功率减少且无功功率增加的一个非零矢量和使有功功率减少且无功功率减少的一个非零矢量，再考虑零矢量的加入，即每个扇区得到2组均包括两个非零矢量和一个零矢量的矢量组合和2组均包括一个非零矢量和一个零矢量的矢量组合，则电网电压在0°-360°区间内，得出24组矢量组合；(7)、根据步骤(6)得到有功、无功功率在不同扇区内受不同电压矢量作用时的变化趋势，建立对应的改进矢量表；(8)、将步骤(2)得到的有功、无功功率的实际值和步骤(4)得到的有功、无功功率的参考值比较得出有功、无功功率实际值的变化趋势；(9)、根据电网电压位置角所在扇区和有功、无功功率实际值的变化趋势从步骤(7)中得到的改进矢量表中选择相应的电压矢量组，并根据该矢量组各个矢量对有功、无功功率的变化率和有功、无功功率的参考值与实际值的差值进行计算，得出相应矢量作用的时间；(10)、将步骤(9)得到的控制矢量作用的时间转换为控制功率器件的开关信号。
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