CN105048846A - 一种电压型三电平npc变流器直接功率控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，采用电压型三电平中点钳位变流器，按以下步骤实施；步骤1，采集u_a、u_b、u_c和i_a、i_b、i_c值，计算瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；步骤2，根据u_a、u_b和u_c的值，确定所在扇区θ_n：步骤3，算交直流电压比η；步骤4，据η的值，确定电压比变量S_η；步骤5，确定有功功率偏差变量S_p和无功功率偏差变量S_q；步骤6，确定无功波动变量S_rp；步骤7，确定DPC策略应采用的具体矢量：步骤8，选择V_S1-V_S6开关状态平衡直流电容电压；步骤9，控制开关器件，使系统实际输出功率达到设定要求。该方法适用于任意交直流电压比，且不会引起瞬时无功功率异常波动。

Description

一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法。

背景技术

电压型三电平中点钳位(NeutralPointClamped即NPC)变流器是目前最为常用的多电平变流器，相比于传统的两电平变流器，三电平NPC变流器具有输出功率大、输出波形THD小、器件电压应力和系统EMI低等多方面的优点，因而被广泛的应用于各种中高压大功率场合。

自20世纪90年代以来，针对三电平NPC变流器的研究层出不穷，其中，高性能控制策略是三电平NPC变流器研究的一个热点问题。目前，在PWM变流器中，最常用的高性能控制策略是电压定向矢量控制策略(VoltageOrientedControlStrategy即VOC)。1983年，AkagiH教授提出了著名的瞬时功率理论(pq理论)，为新的电力电子变流器控制策略的产生提供了重要理论基础；20世纪80年代中期，日本的TakahashiI教授和德国鲁尔大学的DepenbrockM教授分别提出了圆形直接转矩控制方案和六边形直接转矩控制方案。1991年，OhnishiT结合瞬时功率理论和直接转矩控制的思想提出了DPC策略，他将瞬时有功功率、无功功率用于PWM(PulseWidthModulation)变流器闭环控制系统中，形成了直接功率控制策略(DirectPowerControlStrategy即DPC)策略。自此以后，DPC策略被不断的发展，应用于各种电力电子变流器与各种应用环境中。

相对于VOC策略，DPC策略不需要旋转变换，它直接选择合适的矢量实现对瞬时功率的控制，从而具有算法简单、动态响应更好等优点。然而，由于三电平NPC变流器的特殊性及矢量复杂性，DPC策略的应用远不如VOC策略广泛。在可见的三电平NPC变流器DPC策略研究中，鲜有研究交直流电压比这一重要指标对DPC矢量策略矢量选择的影响。进一步的研究发现，现有的三电平DPC策略在某些区域会引起瞬时无功功率的异常波动，这大大增加了系统输出电压、电流的THD值。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，该控制方法能使在任意交直流电压比情况不会引起瞬时无功功率异常波动。

本发明所采用的技术方案是，一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，采用电压型三电平中点钳位变流器，其特征在于，具体按照以下步骤实施；

步骤1，采集交流侧三相电压u_a、u_b、u_c和电流i_a、i_b、i_c的瞬时值，计算得到系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；

步骤2，根据交流侧三相电压u_a、u_b和u_c的瞬时值，应用三相锁相环锁定系统相位角θ，根据θ确定所在扇区θ_n：

步骤3，计算交直流电压比η；

步骤4，根据步骤3中计算的交直流电压比η的值，确定电压比变量S_η；

步骤5，确定有功功率偏差变量S_p和无功功率偏差变量S_q；

步骤6，确定无功波动变量S_rp；

步骤7，根据确定的S_η、S_rp、S_p、S_q、θ_n，确定DPC策略应采用的具体矢量：

步骤8，根据实际电容电压波动情况，选择V_S1-V_S6对应的合适开关状态平衡直流电容电压；

步骤9，根据步骤8中的开关状态，控制每相各开关器件的打开和关闭，使系统实际输出功率达到设定要求。

本发明的特点还在于，

步骤1中计算系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的公式为：

$\{\begin{array}{c}p=u_a{i}_a+u_b{i}_b+u_c{i}_c\\ q=\frac{1}{\sqrt{3}}\[(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c\]\end{array}.---\left(1\right)$

步骤2根据θ确定所在扇区θ_n的公式为：

步骤3中交直流电压比η的计算公式为：

$\mathrm{\η}=\sqrt{6}U/U_{dc}---\left(3\right)$

公式(3)中，若为整流器，测量交流侧相电压有效值U，U_dc为整流器直流电压给定值，若为逆变器，测量直流侧总电压U_dc，U为设定的交流侧相电压有效值。

步骤4中确定电压比变量S_η具体为：

(a)当η∈(0，1/2)，参考电压合矢量位于三电平NPC变流器矢量分布图中六个小矢量构成六边形的内切圆中，电压比变量S_η＝1，

(b)当参考电压合矢量位于电压合矢量位于六个小矢量构成的内切圆和外接圆之间，电压比变量S_η＝2，

(c)当参考电压合矢量位于六个小矢量构成正六边形的外接圆与六个大矢量构成正六边形之间，电压比变量S_η＝3；

参考电压合矢量的表达式如公式(4)所示，公式(4)中u_a、u_b和u_c为交流侧三相电压的瞬时值，V_ref为参考电压合矢量，α＝e^j2π/3，

$V_{ref}=\frac{2}{3}(u_a+{\mathrm{\αu}}_b+{\mathrm{\α}}^2{u}_c)---\left(4\right)$

步骤5中根据公式(5)和(6)确定有功功率Sp和无功功率Sq；

$S_p=\left\{\begin{array}{c}1,p^{*}-p>H_p\\ 0,p^{*}-p<-H_p\end{array}\right.---\left(5\right)$

$S_q=\left\{\begin{array}{c}2,q^{*}-q>2H_q\\ 1,H_q<q^{*}-q\&le;2H_q\\ 0,-2H_q\&le;q^{*}-q<-H_q\\ -1,q^{*}-q<-2H_q\end{array}\right.---\left(6\right)$

公式(5)和(6)中，p^*由直流侧给定电压U_dc ^*与反馈电压U_dc的差值经过PI控制器得到，q^*由系统设定，H_p为瞬时有功功率的滞环宽度，H_q为无功功率的滞环宽度，H_p和H_q由系统设定，p系统瞬时有功功率和q瞬时无功功率为步骤1中计算值。

步骤6中确定无功波动S_rp具体为：

S_rp表征系统是否运行于瞬时无功功率异常波动易发生的范围，设定无功功率异常波动易发生范围为：奇数扇区的初始5°范围内，偶数扇区的初始1°范围内，若系统处于无功功率异常波动易发区域，S_rp＝1，否则S_rp＝0。

步骤7中确定应采用DPC策略的应采用的具体矢量具体为：

定义θ_2j-1(j＝1…6)表示奇数扇区，θ_2i表示偶数扇区，

a)当瞬时无功功率在可控范围内，即S_q＝0或1时，DPC策略在每个扇区中根据交直流电压比η的值及S_p、S_q的具体情况，根据公式(7)、(8)、(9)、(10)选择该扇区的合适矢量控制系统的瞬时功率，其中，U_dc为直流侧总电压，u_rd和u_rq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影，d轴对应有功电压，q轴对应无功电压；

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=1\\ S_q=1\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}>0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}>0\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=1\\ S_q=0\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}>0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}<0\end{array}\right.---\left(8\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=0\\ S_q=1\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}<0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}>0\end{array}\right.---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=0\\ S_q=0\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}<0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}<0\end{array}\right.---\left(10\right)$

b)当瞬时无功功率发生异常波动，即S_q＝-1或2时，DPC策略在每个扇区中根据交直流电压比η的值及S_p、S_q的具体情况，根据公式(11)、(12)、(13)、(14)选择该扇区或邻近扇区的合适矢量控制系统的瞬时功率，其中，U_dc为直流侧总电压，u_rd和u_rq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影，ω为系统角频率，Ls为交流侧感抗值，p为系统瞬时有功功率，

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=1\\ S_q=2\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}\&GreaterEqual;0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}+{\mathrm{\&omega;L}}_{s}p>0\end{array}\right.---\left(11\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=1\\ S_q=-1\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}\&GreaterEqual;0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}+{\mathrm{\&omega;L}}_{s}p<0\end{array}\right.---\left(12\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=0\\ S_q=2\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}\&le;0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}+{\mathrm{\&omega;L}}_{s}p>0\end{array}\right.,---\left(13\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=0\\ S_q=-1\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}\&le;0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}+{\mathrm{\&omega;L}}_{s}p<0\end{array}\right..---\left(14\right)$

步骤8中V_S1-V_S6矢量对应开关状态的选择原则为：

首先确定直流电容电压的波动情况，若上电容电压高下电容电压低则需对上电容放电，下电容充电，若下电容电压高上电容电压低则需对下电容放电下电容充电，

其次确定V_S1-V_S6不同开关状态对应的中点电流i_o，以流出为正，其公式(15)、(16)为：

i_o＝S_ao×i_a+S_bo×i_b+S_co×i_c(15)

最后根据直流电容电压的波动情况和开关状态对应中点电流的正负选项合适开关状态：若上电容电压高下电容电压低选择i_o>0对应的开关状态，否则选择i_o<0对应的开关状态。

步骤9中控制每相各开关器件的打开和关闭具体为：输出矢量表中包含三相的开关状态，以PON为例，则a相输出P状态，b相输出O状态，c相输出N状态。若某相输出P状态，则该相的自上而下的第一、第二开关管开通，第三、第四开关管关断，若某相输出O状态,则该相的自上而下的第二、第三开关管开通，第一、第四开关管关断，若某相输出N状态,则该相的自上而下的第三、第四开关管开通，第一、第二开关管关断。

本发明的有益效果是：本发明一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，该方法能实现瞬时有功功率和瞬时无功功率的精确控制，适用于任意交直流电压比，且不会引起瞬时无功功率异常波动，总体开关损耗小，应用效果好。

附图说明

图1是本发明一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法采用的电压型三电平NPC变流器主电路示意图；

图2是本发明一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法的控制策略框图；

图3是本发明一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法中三电平NPC变流器各矢量与交直流电压比η的关系图；

图4是本发明一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法中三电平NPC变流器电压矢量图；

图5是本发明一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法中DPC策略扇区划分图；

图6是传统电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法引起的瞬时无功功率异常波动的仿真图；

图7是本发明一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法中电压型三电平NPC变流器DPC策略瞬时无功功率异常波动的范围设定(以第10-12扇区为例)；

图8是本发明一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法中的瞬时功率和直流电容电压变化仿真图；

图9是本发明一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法中的交流器输出电压脉冲和网侧电流变化仿真图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，采用如图1所示的电压型三电平中点钳位变流器，包括三相交流部分(若为三电平逆变器结构，则三相交流部分为负载；若为三电平整流器、静止无功发生器等装置，则三相交流部分为交流源加三相交流平波电抗器)、三电平直流侧外接部分(若为三电平逆变器结构，则直流侧外接部分为直流电压源，该直流源可为实际电源，也可为通过交流电源整流得到的直流源；若为三电平整流器结构，则直流侧外接部分为负载；若为三电平静止无功发生器，则直流侧无外接部分)、电压型三电平中点钳位变流器主电路部分、电压传感器、电流传感器、AD转换芯片和数字处理器，其中，电压传感器检测三相交流部分电压和直流侧各电容电压、电流传感器检测交流侧各相电流，电压传感器和电流传感器通过AD转换芯片与数字处理器连接，数字处理器通过相应的驱动电路控制三电平变流器中各功率器件的开关。

如图2所示，具体按照以下步骤实施；

步骤1，采集交流侧三相电压u_a、u_b、u_c和电流i_a、i_b、i_c的瞬时值，计算得到系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；

计算系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的公式为：

$\{\begin{array}{c}p=u_a{i}_a+u_b{i}_b+u_c{i}_c\\ q=\frac{1}{\sqrt{3}}\&lsqb;(u_b-u_c)i_a+(u_c-u_a)i_b+(u_a-u_b)i_c\&rsqb;\end{array}---\left(1\right)$

步骤2，根据交流侧三相电压u_a、u_b和u_c的瞬时值，应用三相锁相环锁定系统相位角θ，锁相环内部自带PI控制器，输入u_a、u_b和u_c，输出就是系统的相位角θ，根据θ确定所在扇区θ_n：

根据θ确定所在扇区θ_n的公式为：

步骤3，计算交直流电压比η；

交直流电压比η的计算公式为：

$\mathrm{\&eta;}=\sqrt{6}U/U_{dc}---\left(3\right)$

公式(3)中，若为整流器，测量交流侧相电压有效值U，U_dc为整流器直流电压给定值，若为逆变器，测量直流侧总电压U_dc，U为设定的交流侧相电压有效值；

步骤4，根据步骤3中计算的交直流电压比η的值，确定电压比变量S_η；

确定电压比变量S_η具体为：

(a)当η∈(0，1/2)，如图3所示，参考电压合矢量位于三电平NPC变流器矢量分布图中六个小矢量构成六边形的内切圆中，电压比变量S_η＝1，

(b)当如图3所示，参考电压合矢量位于电压合矢量位于六个小矢量构成的内切圆和外接圆之间，电压比变量S_η＝2，

(c)当如图3所示，参考电压合矢量位于六个小矢量构成正六边形的外接圆与六个大矢量构成正六边形之间，电压比变量S_η＝3；

参考电压合矢量的表达式如公式(4)所示，公式(4)中u_a、u_b和u_c为交流侧三相电压的瞬时值，V_ref为参考电压合矢量，α＝e^j2π/3，

$V_{ref}=\frac{2}{3}(u_a+{\mathrm{\&alpha;u}}_b+{\mathrm{\&alpha;}}^2{u}_c)---\left(4\right)$

步骤5，确定有功功率偏差变量S_p和无功功率偏差变量S_q；

根据公式(5)和(6)确定有功功率Sp和无功功率Sq；

$S_p=\left\{\begin{array}{c}1,p^{*}-p>H_p\\ 0,p^{*}-p<-H_p\end{array}\right.---\left(5\right)$

$S_q=\left\{\begin{array}{c}2,q^{*}-q>2H_q\\ 1,H_q<q^{*}-q\&le;2H_q\\ 0,-2H_q\&le;q^{*}-q<-H_q\\ -1,q^{*}-q<-2H_q\end{array}\right.---\left(6\right)$

公式(5)和(6)中，p^*由直流侧给定电压U_dc ^*与反馈电压U_dc的差值经过PI控制器得到，q^*由系统设定，H_p为瞬时有功功率的滞环宽度，H_q为无功功率的滞环宽度，H_p和H_q由系统设定，p系统瞬时有功功率和q瞬时无功功率为步骤1中计算值；对有功功率Sp和无功功率Sq给定多个关键参量是为了实现对其异常波动的更精确控制；

步骤6，确定无功波动变量S_rp；

确定无功波动S_rp具体为：

S_rp表征系统是否运行于瞬时无功功率异常波动易发生的范围，

如图6所示，瞬时无功功率异常波动发生在扇区交界处附近，偶数扇区向奇数扇区转变的过程瞬时无功功率异常波动较大，奇数扇区向偶数扇区转变的过程瞬时无功功率异常波动较小；所以设定无功功率异常波动易发生范围为：如图7所示，奇数扇区的初始5°范围内，偶数扇区的初始1°范围内，若系统处于无功功率异常波动易发区域，S_rp＝1，否则S_rp＝0。

步骤7，根据确定的S_η、S_rp、S_p、S_q、θ_n，确定DPC策略应采用的具体矢量：

确定应采用DPC策略的应采用的具体矢量具体为：

定义θ_2j-1(j＝1…6)表示奇数扇区，θ_2i表示偶数扇区，

a)当瞬时无功功率在可控范围内，即S_q＝0或1时，DPC策略在每个扇区中根据交直流电压比η的值及S_p、S_q的具体情况，根据公式(7)、(8)、(9)、(10)选择该扇区的合适矢量(具体的矢量图和扇区与矢量的对应图如图4和图5所示)控制系统的瞬时功率，其中，U_dc为直流侧总电压，u_rd和u_rq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影，d轴对应有功电压，q轴对应无功电压；

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=1\\ S_q=1\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}>0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}>0\end{array}\right.---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=1\\ S_q=0\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}>0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}<0\end{array}\right.---\left(8\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=0\\ S_q=0\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}<0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}>0\end{array}\right.---\left(9\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=0\\ S_q=0\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}<0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}<0\end{array}\right.---\left(10\right)$

b)当瞬时无功功率发生异常波动，即S_q＝-1或2时，DPC策略在每个扇区中根据交直流电压比η的值及S_p、S_q的具体情况，根据公式(11)、(12)、(13)、(14)选择该扇区或邻近扇区的合适矢量(具体的矢量图和扇区与矢量的对应图如图4和图5所示)控制系统的瞬时功率，其中，U_dc为直流侧总电压，u_rd和u_rq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影，ω为系统角频率，Ls为交流侧感抗值，p为系统瞬时有功功率，

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=1\\ S_q=2\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}\&GreaterEqual;0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}+{\mathrm{\&omega;L}}_{s}p>0\end{array}\right.---\left(11\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=0\\ S_q=-1\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}\&GreaterEqual;0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}+{\mathrm{\&omega;L}}_{s}p<0\end{array}\right.---\left(12\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=0\\ S_q=2\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}\&le;0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}+{\mathrm{\&omega;L}}_{s}p>0\end{array}\right.,---\left(13\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{S}_p=0\\ S_q=-1\end{array}\right.\&DoubleLeftRightArrow;\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}-u_{rd}\&le;0\\ \frac{u_{rq}{\mathrm{\&eta;U}}_{dc}}{\sqrt{2}}+{\mathrm{\&omega;L}}_{s}p<0\end{array}\right.---\left(14\right)$

步骤8，根据实际电容电压波动情况，选择V_S1-V_S6对应的合适开关状态平衡直流电容电压；

V_S1-V_S6矢量对应开关状态的选择原则为：

首先确定直流电容电压的波动情况，若上电容电压高下电容电压低则需对上电容放电，下电容充电，若下电容电压高上电容电压低则需对下电容放电下电容充电，

其次确定V_S1-V_S6不同开关状态对应的中点电流i_o，以流出为正，其公式(15)、(16)为：

i_o＝S_ao×i_a+S_bo×i_b+S_co×i_c(15)

最后根据直流电容电压的波动情况和开关状态对应中点电流的正负选项合适开关状态：若上电容电压高下电容电压低选择i_o>0对应的开关状态，否则选择i_o<0对应的开关状态；

步骤9，根据步骤8中的开关状态，控制每相各开关器件的打开和关闭，使系统实际输出功率达到设定要求；

控制每相各开关器件的打开和关闭具体为：输出矢量表中包含三相的开关状态，以PON为例，则a相输出P状态，b相输出O状态，c相输出N状态。若某相输出P状态，则该相的自上而下的第一、第二开关管开通，第三、第四开关管关断，若某相输出O状态,则该相的自上而下的第二、第三开关管开通，第一、第四开关管关断，若某相输出N状态,则该相的自上而下的第三、第四开关管开通，第一、第二开关管关断。

在Matlab/Simulink软件对图1所示系统进行仿真，设定基本参数如表1所示：

表1三电平NPC变流器DPC仿真参数

利用Matlab/Simulink软件，根据表1中仿真参数，得到图8和图9所示的仿真结果图；初始时刻给定有功功率为1250W，无功功率为0Var，在0.1s末有功功率跳变为2500W，三电平NPC整流器瞬时功率p和q、直流电容电压U_c1和U_c2、输出电压脉冲U_ab和U_c及网侧电压u_a和电流i_a的波形分别在图8和图9中给出，由图8、9可知本发明提出的方法可有效的控制系统的瞬时功率和直流电容电压，且瞬时无功功率无异常波动。

Claims (10)

1.一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，采用电压型三电平中点钳位变流器，其特征在于，具体按照以下步骤实施；

步骤1，采集交流侧三相电压u_a、u_b、u_c和电流i_a、i_b、i_c的瞬时值，计算得到系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；

步骤2，根据交流侧三相电压u_a、u_b和u_c的瞬时值，应用三相锁相环锁定系统相位角θ，根据θ确定所在扇区θ_n：

步骤3，计算交直流电压比η；

步骤4，根据步骤3中计算的交直流电压比η的值，确定电压比变量S_η；

步骤5，确定有功功率偏差变量S_p和无功功率偏差变量S_q；

步骤6，确定无功波动变量S_rp；

步骤7，根据确定的S_η、S_rp、S_p、S_q、θ_n，确定DPC策略应采用的具体矢量：

步骤8，根据实际电容电压波动情况，选择V_S1-V_S6对应的合适开关状态平衡直流电容电压；

步骤9，根据步骤8中的开关状态，控制每相各开关器件的打开和关闭，使系统实际输出功率达到设定要求。

2.根据权利要求1所述的一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤1中计算系统瞬时有功功率p和瞬时无功功率q的公式为：

。

3.根据权利要求1所述的一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤2根据θ确定所在扇区θ_n的公式为：

。

4.根据权利要求1所述的一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤3中交直流电压比η的计算公式为：

公式(3)中，若为整流器，测量交流侧相电压有效值U，U_dc为整流器直流电压给定值，若为逆变器，测量直流侧总电压U_dc，U为设定的交流侧相电压有效值。

5.根据权利要求1所述的一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤4中确定电压比变量S_η具体为：

(a)当η∈(0，1/2)，参考电压合矢量位于三电平NPC变流器矢量分布图中六个小矢量构成六边形的内切圆中，电压比变量S_η＝1，

(b)当参考电压合矢量位于电压合矢量位于六个小矢量构成的内切圆和外接圆之间，电压比变量S_η＝2，

(c)当参考电压合矢量位于六个小矢量构成正六边形的外接圆与六个大矢量构成正六边形之间，电压比变量S_η＝3；

参考电压合矢量的表达式如公式(4)所示，公式(4)中u_a、u_b和u_c为交流侧三相电压的瞬时值，V_ref为参考电压合矢量，α＝e^j2π/3，

。

6.根据权利要求1所述的一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤5中根据公式(5)和(6)确定有功功率Sp和无功功率Sq；

公式(5)和(6)中，p^*由直流侧给定电压U_dc ^*与反馈电压U_dc的差值经过PI控制器得到，q^*由系统设定，H_p为瞬时有功功率的滞环宽度，H_q为无功功率的滞环宽度，H_p和H_q由系统设定，p系统瞬时有功功率和q瞬时无功功率为步骤1中计算值。

7.根据权利要求1所述的一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤6中确定无功波动S_rp具体为：

S_rp表征系统是否运行于瞬时无功功率异常波动易发生的范围，设定无功功率异常波动易发生范围为：奇数扇区的初始5°范围内，偶数扇区的初始1°范围内，若系统处于无功功率异常波动易发区域，S_rp＝1，否则S_rp＝0。

8.根据权利要求1所述的一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤7中确定应采用DPC策略的应采用的具体矢量具体为：

定义θ_2j-1(j＝1…6)表示奇数扇区，θ_2i表示偶数扇区，

a)当瞬时无功功率在可控范围内，即S_q＝0或1时，DPC策略在每个扇区中根据交直流电压比η的值及S_p、S_q的具体情况，根据公式(7)、(8)、(9)、(10)选择该扇区的合适矢量控制系统的瞬时功率，其中，U_dc为直流侧总电压，u_rd和u_rq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影，d轴对应有功电压，q轴对应无功电压；

b)当瞬时无功功率发生异常波动，即S_q＝-1或2时，DPC策略在每个扇区中根据交直流电压比η的值及S_p、S_q的具体情况，根据公式(11)、(12)、(13)、(14)选择该扇区或邻近扇区的合适矢量控制系统的瞬时功率，其中，U_dc为直流侧总电压，u_rd和u_rq分别为各矢量在d轴和q轴上的投影，ω为系统角频率，Ls为交流侧感抗值，p为系统瞬时有功功率，

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9.根据权利要求1所述的一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤8中V_S1-V_S6矢量对应开关状态的选择原则为：

首先确定直流电容电压的波动情况，若上电容电压高下电容电压低则需对上电容放电，下电容充电，若下电容电压高上电容电压低则需对下电容放电下电容充电，

其次确定V_S1-V_S6不同开关状态对应的中点电流i_o，以流出为正，其公式(15)、(16)为：

i_o＝S_ao×i_a+S_bo×i_b+S_co×i_c(15)

最后根据直流电容电压的波动情况和开关状态对应中点电流的正负选项合适开关状态：若上电容电压高下电容电压低选择i_o>0对应的开关状态，否则选择i_o<0对应的开关状态。

10.根据权利要求1所述的一种电压型三电平NPC变流器直接功率控制方法，其特征在于，所述步骤9中控制每相各开关器件的打开和关闭具体为：输出矢量表中包含三相的开关状态，以PON为例，则a相输出P状态，b相输出O状态，c相输出N状态。若某相输出P状态，则该相的自上而下的第一、第二开关管开通，第三、第四开关管关断，若某相输出O状态,则该相的自上而下的第二、第三开关管开通，第一、第四开关管关断，若某相输出N状态,则该相的自上而下的第三、第四开关管开通，第一、第二开关管关断。