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电力电子装置中应用的直接功率控制策略综述

www.p-e-china.com 2017/2/6 10:55:19 来源:互联网 电力电子论坛|免费发布产品

  摘 要:20世纪90年代初,Tokuo Ohnishi提出了一种将瞬时有功功率、无功功率用于PWM变换器闭环控制系统中的新型控制策略,随后Toshihiko Noguchi等学者进行了研究并取得了进展。这种被称为直接功率控制(Direct Power Control, DPC) 的控制策略与通常的电流控制策略相比,具有更高的功率因数、更低的THD、高效率、算法和系统结构简单等优点,日益引起国内外学者的关注。本文结合目前已见的有关DPC的文献,从DPC的具体实现方法与其实际应用场合两个大的方面对电力电子装置中应用的DPC策略进行了分类和介绍,最后对目前应用的DPC策略进行了概括和总结。

  1.引言

  随着电力电子技术的不断发展,越来越多的电力电子装置被广泛的应用于能源、工业、信息、家电消费品等领域。电力电子装置的控制是电力电子装置应用的核心与关键问题,多年以来,一直是工业界和学术界的研究热点。

  电力电子装置控制技术的研究一直贯穿于电力电子技术的发展中,1983年,Hirofumi Akagi提出了著名的瞬时功率理论(pq理论)[1][2],为新的电力电子装置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I.Takahashi教授和德国鲁尔大学的M.Depenbrock教授分别提出了圆形直接转矩控制方案[3]和六边形直接转矩控制方案[4]。1991年,Tokuo Ohnishi结合瞬时功率理论和直接转矩控制的思想提出了直接功率控制(DPC)策略[5][6],它将瞬时有功功率、无功功率用于PWM变换器闭环控制系统中。自此以后,直接功率控制理论被不断的发展,应用于各种电力电子装置与各种应用环境中。

  2.基于瞬时功率理论的电压型PWM整流器DPC 原理

  2.1 DPC的理论基础-瞬时功率理论[1][2]

  传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础上或向量的意义上定义的,它们只适用于电压、电流均为正弦波的情况。瞬时功率理论是以定义瞬时有功功率p和瞬时无功功率q为理论基础的。

  设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为ua、ub、uc和ia、ib、ic,经过坐标变换到αβ静止坐标系下,如图1所示。可以得到两相静止坐标系下的电压uα、uβ和电流iα,iβ分别为电压矢量U和电流矢量I在αβ轴上的投影。电压电流两个矢量的夹角为ϕ。

  定义三相电路的瞬时有功电流id和瞬时无功电流iq分别为电流矢量I在电压矢量U及在其法线上的投影,即:

  

 

  定义三相电路的瞬时有功电流id和瞬时无功电流iq分别为电流矢量I在电压矢量U及在其法线上的投影,即:

  

 

  2.2两电平PWM 整流器拓扑结构及DPC数学模型

  [5][6][7]

  两电平PWM整流器的拓扑如图2所示。图中ua、ub、uc为三相对称电源相电压;ia、ib、ic为三相线电流;Sa、Sb、Sc为整流器的开关函数,Sj 定义为单极性二值逻辑开关函数,Sj(j=a、b、c)=Sjp(上桥臂开关导通,下桥臂开关关断),Sj=Sjn(下桥臂开关导通,上桥臂开关关断);Udc为直流电压;Rs、Ls为滤波电抗器的电阻和电感;C为直流侧电容;RL为负载;Ura、Urb、Urc为整流器的输入相电压;iL为负载电流,ip和in分别为流入p点和n点的电流,ic为流过直流侧电容的电流。

  

 

  图2 两电平电压型PWM整流器主电路拓扑等效图

  将图2中三相整流器各量经过变换(abc-dq)变换到dq 两相同步旋转坐标系中,可得整流器的数学模型为:

  

 

  式中 Sd、Sq分别为开关函数在d、q 轴上的分量。根据式(5)及三相对称系统功率计算,3dpUi=,3qqUi=− (U为电源相电压有效值)可得以p、q为变量的功率控制数学模型:

  

 

  3. DPC的研究点分类

  如图3所示为电压型PWM变换器DPC系统结构示意图,从图中可以看出,控制系统可以分为三大子模块,分别为瞬时功率求解模块,电压外环模块和功率内环模块,在瞬时功率的求解模块中,主要的研究点为瞬时功率的计算或估算方法;在功率内环模块中,传统的DPC控制策略的主要研究点是根据控制的需要修正或改进DPC矢量选择表格,同时也有学者根据DPC控制开关频率不固定的特点,提出了各种稳定开关频率的DPC控制方案;在电压外环的研究中,主要的研究点为外环控制器的设计,除了传统的PI控制器以外,目前应用的还有滑模变控制器、模糊控制器等等。

  

 

  另一方面,针对不同拓扑结构DPC控制也是一个研究热点,目前有学者将DPC控制推广到NPC三电平拓扑中,获得了较好的控制效果。与此同时,学者们将DPC控制从PWM整流器推广到各种控制领域,如各种电机、HVDC、SVG、APF及各种储能系统。

  4.DPC系统瞬时功率求解模块的具体实现方案

  前文已经介绍过,DPC策略的理论基础是瞬时功率理论,在实际应用中,根据交流侧有无电压互感器(电流互感器在较为精确的控制中一般都要有),可以有如下三种瞬时功率求解方案:

  4.1 有电压互感器的瞬时功率实时计算法[5][7]

  交流侧有三相电压互感器时,一般都采用实时计算法来计算瞬时功率,瞬时功率的在αβ和abc坐标系下的计算公式如式(3)和式(4)所示,将其转换到dq坐标系下,可以得到瞬时功率在dq坐标系下的表达式如下:

  

 

  4.2 无电压互感器的瞬时功率实时估计法[6]

  在一些实际系统中,如果三相电压较为稳定,或者对系统的性能要求不是十分严格,为了减少硬件成本,有时也省略电压互感器。此时,瞬时功率的估算如下:

  根据图2和基尔霍夫定律,可以得到如下等式:

  

 

  4.3 无电压互感器的瞬时功率虚拟磁链估算法[8][9][10] [11]

  除了根据4.2的方法进行瞬时功率计算外,有学者提出采用虚拟磁链的方法进行瞬时功率的计算。

  虚拟磁链的概念是由虚拟电机所引出的,可将电网侧电源(图2中虚线框部分)看作一个虚拟的交流“电机”。其中Rs和Ls可分别视为虚拟电机的定子电阻与电感,认为线电压uab、ubc和uca是由虚拟磁链所感应产生的,满足:

  

 

  其中Ψs 为产生电网电压的虚拟磁链空间矢量。

  对于两电平变流器,根据变流器交流侧电压方程us=ur+uLs(这里忽略电阻Rs)。其中,us、ur、uL分别为电网线电压矢量、变流器交流侧电压矢量和电感Ls上的电压矢量。通过检测直流电压和开关函数可以得到变流器虚拟磁链分别如式(13)式(14)所示:

  

 

  各矢量关系在ab、dq坐标系下的关系如下图4所示,图中,三相电网电压合成矢量us 超前于虚拟磁链合成矢量Ψs, d轴与Ψs重合,以同步角速度ω旋转,与α轴夹角为γΨs. Ψsα、Ψsβ分别为变流器虚拟磁链矢量Ψs在两相静止坐标系中的分量,is为电流矢量。

  

 

  

 

  5.DPC控制功率内环解决方案

  功率内环的模块是DPC系统中十分重要的一个模块,目前主要以下两大类实现方法:

  5.1 传统功率内环滞环控制系统-不定频系统[5][6][7]

  功率内环滞环控制是由Tokuo Ohnishi最早提出的DPC内环方案,这种方案通过滞环控制选择开关状态来控制实时功率。滞环选择开关状态的理论基础如(6)式所示。图5所示为有电压互感器的PWM整流器滞环DPC系统,该系统的功率内环采用的就是滞环控制。瞬时功率p和q与给定的p*和q*比较后的差值信号送入功率滞环比较器得到Sp、Sq开关信号;p*由直流电压外环PI调节器的输出(代表电流)与直流电压的乘积设定,q*设定为0,以实现单位功率因数。根据Sp、Sq、θn在开关表中选择所需的Sa、Sb、Sc,去驱动主电路开关管。图中略去了电阻Rs。

  

 

  功率内环滞环控制系统的开关表是内环控制系统的关键,这个开关表由三个变量Sp、Sq、θn来共同确定,θn为参考电压矢量所在的扇区,具体划分如下图所示:

  

 

  

 

  从上面的公式可以看出,Sp(q)=1时,实际瞬时功率大于给定瞬时功率,瞬时功率需增加,Sp(q)=0时,实际瞬时功率小于给定瞬时功率,瞬时功率需减小。若忽略Rs对系统的影响,同时在控制时保持系统的无功q为零,可以将(6)式简化为:

  

 

  根据(22)式可以确定具体的DPC开关矢量表,表1给出的就是传统的DPC开关矢量表(Toshihiko Noguchi等人提出的)。

  

 

  以上介绍的是最基本的功率内环滞环控制系统的基本原理,近年来,许多学者针对该原理的种种不足,提出了各种改进方案:如[12]中提出的设置扇形死区边界的DPC控制方案;[13]中提出的有功无功表格分开的DPC控制方案;[14]中提出的根据视在功率(论文中称为复功率)的改变来选择开关状态的DPC控制方案;[15] 、[16]中提出的Sp、Sq三状态表格DPC控制方案;[17]中提出的选择非最近矢量(对功率影响最大的矢量)构成开关表格的DPC控制方案等,它们基本上都是对表1进行不同程度的改进,其本质仍然是功率的滞环控制,这里就不一一细数了。

  5.2 DPC-SVM控制系统-定频控制[18][19][20][21][22]

  功率内环滞环DPC 控制算法简单、动态响应更好等优点,但是,它同时也存在开关频率不固定的缺点,不利于滤波器的优化设计;而且,功率内环滞环DPC 控制要达到比较好的控制效果,需要较高的采样频率,这就对控制器和A/D 转换器提出了更高的要求。这些问题给传统DPC 控制的应用带来了很多困难。

  据此,有学者提出了基于空间电压矢量SVM

  的固定开关频率PWM变换器DPC控制(DPC-SVM)策略。

  

 

  根据公式(24),可是将功率内环采用PI控制器进行控制,这样就避免了采用滞环控制带来的开关频率不固定的问题。

  考虑到式(24)中的耦合项,为了提高功率内环的抗扰性,可以采用前馈解耦控制策略。具体的功率内环控制方程为:

  

 

  功率内环解耦控制框图如图7所示。图8为DPC-SVM的原理框图。

  

 

  图8两电平PWM 整流器DPC-SVM 原理框图

  以上介绍的是基本的DPC-SVM定频控制策略,这是目前应用最为广泛的定频控制策略,除此之外,尚存在多种定频DPC内环控制策略,文献[22][23]中用SPWM算法代替图8中的SVM算法实现了DPC系统的功率内环定频控制;文献[24]中在两相静止坐标系下采用PR控制器代替图7中的PI控制器实现DPC系统的功率内环定频控制;文献[25]在两相静止坐标系下采用实时估计输出电压的方法实现功率内环定频控制;文献[26]、[27]采用预测控制技术实现DPC系统的功率内环定频控制;文献[28]采用神经元控制技术实现DPC系统的功率内环定频控制;文献[29]采用功率内环双PI和电流无差拍控制实现DPC系统内环定频控制,这里也不一一详述。

  6.DPC系统电压外环解决方案[7][11][12][13][30][31][32]

  当不考虑桥路开关损失,系统工作于稳态且处于单位功率因数整流状态,根据式(5)可得瞬时有功功率为:

  

 

  根据式(26)和(27)可以设计DPC系统的PI控制器,具体如图8所示。

  认真研究图8中的电压外环解决方案不难发现,瞬时有功功率的变化受直流电压和有功电流的双重影响,为了提高传统解决方案的鲁棒性,可以对DPC的电压外环的PI控制器设计方案进行改进,式(26)可以变为:

  

 

  

 

  以上介绍了DPC电压外环的PI控制器设计方案,近年来,随着新型控制理论的提出,有学者将新型控制理论应用于DPC的电压外环控制中,取得了不错的控制效果。文献[33][34]中引入了滑模变结构实现DPC

  系统的电压外环控制;文献[35][36]引入了模糊控制实现DPC系统的直流电压外环,这里也不一一详述。

  7.DPC控制应用拓扑及应用领域的推广

  随着对DPC策略研究的不断深入,DPC控制策略不断被应用于各种拓扑与应用环境中, 本文试对其进行归纳总结。

  在应用拓扑方面,DPC策略最早被应用于两电平变换器拓扑中,随着该理论的不断完善,DPC策略已经被应用于各种多电平拓扑[37][38][39]和背靠背拓扑[23]中,取得了很好的控制效果。

  在应用领域方面,DPC策略最早应用于PWM变换器中,之后被逐渐应用于各种电机控制领域[14][19][36][40]、超导储能领域[16][17]、直流输电领域[21][23][41]、有源电力滤波器[42][47]、车载电源[43]和各种无功补偿装置[44][45][47],实现实时功率的快速、精确控制。在传统的PMW变换器DPC控制中,电网电压不平衡等条件下的DPC策略也日趋完善[14][22][48][49]。

  8 结论

  本文介绍了目前应用比较广泛的一种控制策略-DPC策略在电力电子装置中的应用情况,本文主要分两个大方面来进行概括和总结:

  (1)DPC策略的组成部分与研究进展:本文将DPC策略分为瞬时功率求解模块,电压外环模块和功率内环模块三个子模块,分别介绍了各个模块的已有实现方法和相互关系,总的来说,功率内环模块是DPC策略的精髓,也是目前DPC策略的最主要研究点,各国学者在此投入了大量的精力,对功率内环的滞环控制和定频控制两种实现方式进行了多角度多层面的分析与研究;在瞬时功率求解模块中,主要研究点是无电压传感器的瞬时功率估计;在电压外环模块中,主要是研究点是应用新型控制理论,取代传统的PI控制器。

  (2)DPC策略应用拓扑与应用领域:DPC策略最早并应用于两电平PWM整流器中,近年来,它的应用拓扑与应用领域不断拓宽。在应用拓扑方面,目前DPC策略已经应用于双PWM变换器、三电平变换器、模块化多电平变换器等不同拓扑中,在应用领域方面,DPC策略已经应用于电机控制、超导储能、直流输电、有源电力滤波器、车载电源和无功补偿装置等领域的各种电力电子装置,实现了电压与功率的快速精确控制。

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  作者简介:

  李宁(1983-),男,辽宁丹东人,博士研究生,主要研究方向为电力电子装置的控制策略研究

 

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