一种电压型三电平npc变流器直接功率控制方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 电压型三电平中点钳位（Neutral Point Clamped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。
[0003] 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PffM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（Voltage Oriented Control Strategy即V0C)。1983 年，Akagi H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Takahashi I教授和德国鲁尔大 学的Depenbrock M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，Ohnishi T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(Pulse Width Modulation)变流器闭环控制系统中，形成了直接 功率控制策略（Direct Power Control Strategy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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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；
[0007] 步骤1，采集交流侧三相电压ua、ub、u。和电流i a、ib、i。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 ;
[0008] 步骤2,根据交流侧三相电压ua、叫和u。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 η:
[0009] 步骤3,计算交直流电压比η ;
[0010] 步骤4,根据步骤3中计算的交直流电压比Tl的值，确定电压比变量Sn;
[0011] 步骤5,确定有功功率偏差变量Sp和无功功率偏差变量S q;
[0012] 步骤6,确定无功波动变量Srp;
[0013] 步骤7,根据确定的Sn、&、Sp、Sq、θ n，确定DPC策略应采用的具体矢量：
[0014] 步骤8,根据实际电容电压波动情况，选择Vsi-Vs6对应的合适开关状态平衡直流电 容电压；
[0015] 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。
[0016] 本发明的特点还在于，
[0017] 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：
[0018]
[0019] 步骤2根据Θ确定所在扇区0。的公式为：
[0020]
[0021] 步骤3中交直流电压比η的计算公式为：
[0022]
(3)
[0023] 公式（3)中，若为整流器，测量交流侧相电压有效值U，Ud。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 d。，U为设定的交流侧相电压有效值。
[0024] 步骤4中确定电压比变量S n具体为：
[0025] (a)当n e (〇, 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 n = 1，
[0026] (b)当:/ 2,〗/#)，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Sn= 2，
[0027] (C)当q e (I 2)，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Sn = 3 ;
[0028] 参考电压合矢量的表达式如公式（4)所示，公式（4)中ua、Ub和u。为交流侧三相 电压的瞬时值，V raf为参考电压合矢量，α =θ ]2π/3，
[0029]
(4)
[0030] 步骤5中根据公式（5)和（6)确定有功功率Sp和无功功率Sq ;
[0031]
[0033] 公式（5)和（6)中，直流侧给定电压U d/与反馈电压U d。的差值经过PI控制 器得到，q#由系统设定，Hp为瞬时有功功率的滞环宽度，H q为无功功率的滞环宽度，Hp和Hq 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。
[0034] 步骤6中确定无功波动S1^具体为：
[0035] Sit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Γ范围内，若系统处于 无功功率异常波动易发区域，Sit= 1，否则Sit= 0。
[0036] 步骤7中确定应采用DPC策略的应采用的具体矢量具体为：
[0037] 定义Θ ^ Jj = 1…6)表示奇数扇区，Θ 2i表示偶数扇区，
[0038] a)当瞬时无功功率在可控范围内，即Sq= 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Sp、Sq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 d。为直流侧总电压，u μ和u q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；
[0039] L0041J
[0043] b)当瞬时无功功率发生异常波动，即Sq= -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sp、sq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 d。为直流侧总电压，u H和u q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，
[0044]
[0048] 步骤8中Vsi-Vs6矢量对应开关状态的选择原则为：
[0049] 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，
[0050] 其次确定Vsi-Vs6F同开关状态对应的中点电流i。，以流出为正，其公式（15)、（16) 为：
[0051] i。= SaciX ia+Sbc]Xib+SOTXic (15)
[0052]
U6)
[0053] 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1。>〇对应的开关状态，否则选择1。〈〇对应的开 关状态。
[0054] 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0状态，c相输出N状态。若某相输出P 状态，则该相的