一种电压源变换器直接功率控制方法

1.本发明属于电力电子技术领域，涉及一种电压源变换器直接功率控制方法。


背景技术：

2.随着国内外半导体晶体管技术的成熟，电力电子器件的研发和应用迎来了发展的高峰期，其中具备输入电流低、功率因数高等优势的pwm变换器从众多变换器中脱颖而出。变换器采用直接功率控制方法可以获得较低的thd值和较强的抗干扰性，有利于电能高效互动和系统可靠用电。同时直接功率控制方法也因功率因数高，算法和控制单元较为简单成为了近年来研究的热点。传统的直接功率控制的控制精度已经不能满足当下的发展现状，提高其性能的关键就在于对其中的开关表进行优化。大批学者进行了更新开关表的实验研究，诸如引入细分边界死区、推广扇区进而构建双开关表和引入辅助电压矢量等。这些方法可以在一定程度上对系统稳态性能进行提升，但对无功功率的控制力度加强的效果不是很明显，也额外使得算法更为复杂。传统的直接功率控制中为了减少开关器件的通断次数，降低频率和损耗，大量选用了u0、u7这两个零电压矢量，虽然零电压矢量具有增大有功功率的作用，但其对无功功率的调节能力有限，即系统存在大量零电压矢量时不能有效可靠的进行无功功率控制，但这也增加了无功失控区出现的概率，无功失控区会导致无功功率不能稳定处于零，即不在单位功率因数下运行，进而导致电流畸变，且在变换器中无功功率和有功功率是耦合的，最终有功功率还是会因为零矢量的大量使用受影响。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供涉及一种电压源变换器直接功率控制方法，该方法解决了现有技术中存在的开关表内含过多零电压矢量，使无功功率控制强度不高的问题。
4.本发明所采用的技术方案是，一种电压源变换器直接功率控制方法，具体包括如下步骤：
5.步骤1，采集两相α、β静止坐标系下的电压向量us和电流向量is并计算瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；
6.步骤2，将步骤1得到的瞬时有功功率p和瞬时无功功率q经过等功率的3s/2变换，得到dq坐标系下的电气量表达式，在dq坐标系下对瞬时有功功率p和瞬时无功功率q进行微分，分别得到瞬时有功功率变化率dp/dt和瞬时无功功率变化率dq/dt；
7.步骤3，根据瞬时有功功率变化率dp/dt和瞬时无功功率变化率dq/dt，计算出同一矢量在不同扇区内对有功功率和无功功率的增减关系，进而得出各个扇区电压矢量对功率控制的影响强度表；
8.步骤4，根据步骤3所得的电压矢量对功率的影响强度表确定开关表；
9.步骤5，将有功功率p和无功功率q的给定值与实际值进行滞环差值比较，其中，p的给定值pref是由pi控制器的输出值和采样得到的实际电压值相乘得到，q的给定值qref直接默认为零，然后通过查询开关表选择电压矢量来驱动变换器作业。
10.本发明的特点还在于：
11.步骤2中，在d-q坐标将u、i分量分别表示为：
[0012][0013]
计算瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，分别为：
[0014][0015]
其中，id、iq分别为三相并网电流在两相旋转坐标系下的分量，ud、uq分别为三相并网电压在两相旋转坐标系下的分量，由于uq为零，得到
[0016]
p＝udidꢀꢀ
(3)；
[0017]
q＝u
qiq
ꢀꢀ
(4)；
[0018]
计算d-q坐标系下瞬时有功功率变化率dp/dt和瞬时无功功率变化率dq/dt分别为：
[0019][0020]
其中，l为并网滤波器电抗器值，sd，sq分别是两相并网变换器输出开关状态，u
dc
是直流侧输出电压；
[0021]
反解瞬时有功功率变化率dp/dt和瞬时无功功率变化率dq/dt的表达式，计算出两相并网变换器输出开关状态sd、sq的开关函数：
[0022][0023]
其中，ω为电网的角频率，t为时间；sa、sb、sc分别为三相并网变换器的输出开关状态。
[0024]
步骤3的具体过程为：
[0025]
步骤3.1将变换器输出的8个电压矢量表示为：u0(000)～u7(111)，其中定义u0(000)和u7(111)两个矢量为零矢量，其余六个非零矢量分别为u1(100)、u2(110)、u3(010)、u4(011)、u5(001)和u6(101)；各电压矢量括号内的内容表示三相变换器输出的开关状态，每项仅为0或1，三相开关全部组合由000～111依次排列；即三相开关sa、sb、sc均具有八个开关状态；
[0026]
除去两个零矢量，将剩余六个电压矢量分为12个扇区，分别为θ1～θ
12
，θ1表示0～30
°
的扇区，依次推出六个电压矢量每两个相邻矢量之间相差60
°
，用u0、u1......u7分别表示u
0-u7上述相应的8个电压空间矢量，以u1为θ1的起点，逆时针每隔60
°
依次为u2......u6；
[0027]
将sa、sb、sc的全部状态000～111带入开关函数，可得到sd、sq的八个开关状态表达式，其中u1(100)状态计算得到：
[0028][0029]
基于u1(100)对比开关函数可以得到对应的有功功率和无功功率为：
[0030][0031]
步骤3.2，u-ui矢量在id和iq轴的投影就分别表示了有功功率和无功功率的调节效果，id轴的投影与id同向时有功功率增大，反之减小，iq轴的投影与iq同向时无功功率减小，反之增大。且u-ui与id轴夹角变小时，影响有功功率的调节程度变大，u-ui与iq轴夹角变小时，影响无功功率的调节程度变大，以90
°
为一个周期，每30
°
的调节为强度进阶等级，用“+”表示功率强度增加，“++”表示功率增加强度大，用“+++”表示功率增加强度最大；用
“‑”
表示功率强度减小，
“‑‑”
表示功率减小强度大，
“‑‑‑”
表示功率减小强度最大，根据计算数值得到影响强度表。
[0032]
步骤4的具体过程为：
[0033]
通过滞环比较器输出的滞环信号有功功率偏离参考功率s
p
或无功功率偏离参考功率sq表示实际功率偏离参考功率的状态、s
p
或sq共三种状态，三种状态分别对应-1、0、1；
[0034]
针对有功功率进行选择：在各个扇区内，单个扇区的调节过程为：
[0035]
当s
p
＝1，sq＝1时，表示要增加有功功率和无功功率，分别选用电压矢量u2和电压矢量u3；
[0036]
当s
p
＝1，sq＝0时，表示要增加有功功率的电压矢量，要减小无功功率的电压矢量，分别选用电压矢量u5和电压矢量u6；
[0037]
当s
p
＝0时，进行无功功率调节；
[0038]
sq＝1时，要增加无功功率，可选用电压矢量u1、u3；
[0039]
sq＝0，要减小无功功率，可选用电压矢量u5、u1；
[0040]
当s
p
＝-1时，要减小有功功率；
[0041]
当sq＝1，要增加无功功率，可选用电压矢量u1、u2；
[0042]
sq＝0，要无功功率减小，可选用电压矢量u6、u1。
[0043]
根据不同s
p
和sq为不同状态时，按照上述过程依次得到各个扇区内，选择兼容两者的同一电压矢量，两者都可时选取u
x
，x是两者数字中小的一方，如s
p
＝1，sq＝1时选择电压矢量u2，最终可确定开关表。
[0044]
步骤5的具体过程为：将有功功率p和无功功率q的给定值与实际值进行滞环差值
比较，得到开关信号s
p
和sq，再将s
p
和sq以及扇区θ三个变量送入状态开关表中，根据三者的值输出对应的电压信号后查询开关表用sa，sb，sc驱动变换器作业。
[0045]
步骤5中，开关信号s
p
的求解过程为：
[0046]
当pref-p《h
p
时，sp＝-1；
[0047]
当-h
p
《pref-p《0时，dp/dt》0，sp＝-1；dp/dt《0，sp＝0；
[0048]
当0《pref-p《h
p
,时，dp/dt》0，sp＝0；dp/dt《0，sp＝1；
[0049]
当pref-p》h
p
时，sp＝1；
[0050]
sq的求解过程为：
[0051]
当q》hq时，sq＝-1；
[0052]
当hq》q》0时，dq/dt》0，sq＝-1；dq/dt《0，sq＝0；
[0053]
当0》q》-hq时，dq/dt》0，sq＝0；dq/dt《0，sq＝1；
[0054]
当p《hq时，sq＝1。
[0055]
其中，阈值h
p
和hq均大于0。
[0056]
本发明的有益效果是：将本发明的开关表用于目前直接功率控制的逆变系统中，可以得到更小谐波的输出电流，同时对有功功率和无功功率的控制效果更理想，系统响应速度更迅速。
附图说明
[0057]
图1是本发明一种电压源变换器直接功率控制方法中三相全桥逆变电器拓扑结构图；
[0058]
图2是本发明一种电压源变换器直接功率控制方法中的电压扇区矢量图；
[0059]
图3是本发明一种电压源变换器直接功率控制方法中各个开关矢量对有功(无功)功率变化的效果图；
[0060]
图4是本发明一种基于消除零电压矢量开关表的直接功率控制方法中三电平滞环比较器结构图；
[0061]
图5是本发明一种电压源变换器直接功率控制方法中直接功率控制的系统框图。
具体实施方式
[0062]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0063]
本发明一种电压源变换器直接功率控制方法，具体按照如下步骤实施：
[0064]
步骤1，采集两相α、β静止坐标系下的电压向量us和电流向量is并计算瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；具体为：
[0065]
在α-β坐标系中，采集电压向量us和电流向量is，得到：
[0066][0067]
计算瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，分别为：
[0068][0069]
其中，i
α
、i
β
分别为三相并网电流在两相静止坐标系下的分量，u
α
、u
β
分别为三相并网电压在两相静止坐标系下的分量。
[0070]
步骤2，将得到的电气量经过等功率的3s/2变换，得到dq坐标系下的电气量表达式，在dq坐标系下对瞬时有功功率p和瞬时无功功率q进行微分，分别得到瞬时有功功率变化率dp/dt和瞬时无功功率变化率dq/dt；
[0071]
d-q坐标将u、i分量分别表示为：
[0072][0073]
计算瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，分别为：
[0074][0075]
其中，id、iq分别为三相并网电流在两相旋转坐标系下的分量，ud、uq分别为三相并网电压在两相旋转坐标系下的分量，由于uq为零，得到
[0076]
p＝udid[0077]
q＝-udiq[0078]
步骤3，根据瞬时有功功率变化率dp/dt和瞬时无功功率变化率dq/dt，计算出同一矢量在不同扇区内对有功功率和无功功率的增减关系，进而得出各个扇区电压矢量对功率控制的影响强度表；
[0079]
步骤3.1，如图1所示是逆变电器拓扑结构，用1表示上桥臂导通，用0表示下桥臂导通，t1～t6均是开关管，vd1～vd6均是晶闸管，l均是电感，r均是电电阻，c是电容。ia、ib、ic分别表示三相电流。
[0080]
变换器可输出8个电压矢量，包含u0(000)～u7(111)，其中定义u0(000)和u7(111)两个矢量为零矢量，其余六个非零矢量分别为u1(100)、u2(110)、u3(010)、u4(011)、u5(001)和u6(101)，其中，括号内的内容表示三相变换器输出的开关状态，每项仅为0或1，三相开关全部组合由000～111依次排列；即sa、sb、sc也具有八个开关状态。
[0081]
将sa、sb、sc的全部状态(000～111)带入开关函数，可得到sd，sq的八个开关状态表达式，以u1(100)状态为例可计算出
[0082][0083]
基于u1(100)对比开关函数可以得到对应的有功功率和无功功率为：
[0084][0085]
除去两个零矢量，将剩余六个电压矢量分为12个扇区，分别为θ1～θ
12
12个扇区，θ1表示0～30
°
的扇区，依此类推，六个电压矢量每两个相邻矢量之间相差60
°
，用u0、u1......u7分别表示u
0-u7上述相应的电压空间矢量，以u1为的θ1的起点，逆时针每隔60
°
依次为u2......u6；按上述方法得到如图2所示的扇区图。
[0086]
u2(110)、u3(010)、u4(011)、u5(001)和u6(101)这5个状态与u1(100)状态的计算过程相同。
[0087]
在扇区图中，id轴与电压矢量u同向，iq轴垂直于id轴。在图3中用u-ui矢量在id和iq轴的投影就分别表示了有功功率和无功功率的调节效果，由若d-q坐标系下的pq表达式推导得，id轴的投影与id同向时有功功率增大，反之减小，，iq轴的投影与iq同向时无功功率减小，反之增大。且u-ui与id轴夹角变小时，影响有功功率的调节程度变大，u-ui与iq轴夹角变小时，影响无功功率的调节程度变大，以90
°
为一个周期，每30
°
的调节为强度进阶等级，用“+”表示功率强度增加，“++”表示功率增加强度大，用“+++”表示功率增加强度最大；用
“‑”
表示功率强度减小，
“‑‑”
表示功率减小强度大，
“‑‑‑”
表示功率减小强度最大，根据计算数值得到影响强度表。
[0088]
步骤3.2影响强度依次表示为“+++”、“++”、“+”、
“‑”
、
“‑‑”
、
“‑‑‑”
，其中，用“+”表示功率增加，“++”表示功率增加强度大，用“+++”表示功率增加强度最大；用
“‑”
表示功率减小，
“‑‑”
表示功率减小强度大，
“‑‑‑”
表示功率减小强度最大，获得有功功率和无功功率对应的电压矢量对功率的影响强度表，如下表1所示：
[0089]
表1
[0090][0091]
[0092]
步骤4，根据电压矢量对功率的影响强度表确定开关表；图4是滞环比较器的原理图，h
p
和hq是滞环比较器设置的阈值，均大于0。通过滞环比较器输出的滞环信号有功功率偏离参考功率s
p
或无功功率偏离参考功率sq表示实际功率偏离参考功率的状态，s
p
或sq共三种状态，分别是-1，0，1。其作用是判断输出功率是否需增加或减小，同时避免超调。
[0093]
对有功功率进行选择：在各个扇区内，当s
p
＝1，sq＝1时，表示有功功率和无功功率都需要增加，可优先选用u2、u3。当s
p
＝1，sq＝0时，有功功率需要增加，无功功率需要减小，可优先选用u5、u6，当s
p
＝0时主要进行无功功率调节，sq＝1，无功功率增加优先选用u1、u3；sq＝0，无功功率减小优先选用u5、u1。当s
p
＝-1时有功功率减小，当sq＝1，无功功率增加选用u1、u2；sq＝0，无功功率减小选用u6、u1。两者都可选时选取u
x
，x是两者中数字小的一方。根据不同s
p
和sq为不同状态时，按照上述过程依次得到各个扇区内，选择兼容两者的同一电压矢量，得到最终确定的开关表。
[0094]
按上述的方法依次得到各个扇区内不同s
p
和sq为不同状态时，选择的电压矢量，得到最终确定的开关表，如下表2所示：
[0095]
表2
[0096]
spsqθ1θ2θ3θ4θ5θ6θ7θ8θ9θ
10
θ
11
θ
12
00v5v1v6v2v1v3v2v4v3v5v4v601v1v3v2v4v3v5v4v6v5v1v6v2-10v6v1v1v2v2v3v3v4v4v5v5v6-11v1v2v2v3v3v4v4v5v5v6v6v110v5v6v6v1v1v2v2v3v3v4v4v511v2v3v3v4v4v5v5v6v6v1v1v2
[0097]
步骤5，将有功功率p和无功功率q的给定值与实际值进行滞环差值比较，其中，p的给定值pref是由pi控制器的输出值和采样得到的实际电压值相乘得到，q的给定值qref直接默认为零，然后通过查询开关表选择电压矢量来驱动变换器作业。
[0098]
具体为，将有功功率p和无功功率q的给定值与实际值进行滞环差值比较后得到开关信号s
p
和sq，再将s
p
和sq以及扇区θ三个变量送入状态开关表中，根据三者的值输出对应的电压信号后查询开关表用sa，sb，sc驱动pwm变换器作业。
[0099]hp
、hq分别是有功和无功滞环比较器的阈值；
[0100]
当pref-p《h
p
时，sp＝-1；
[0101]
当-h
p
《pref-p《0时，dp/dt》0,sp＝-1；dp/dt《0，sp＝0；
[0102]
当0《pref-p《h
p
,时，dp/dt》0,sp＝0；dp/dt《0，sp＝1；
[0103]
当pref-p》h
p
时，sp＝1；
[0104]
当q》hq时，sq＝-1；
[0105]
当hq》q》0时，dq/dt》0,sq＝-1；dq/dt《0，sq＝0；
[0106]
当0》q》-hq,时，dq/dt》0,sq＝0；dq/dt《0，sq＝1；
[0107]
当p《hq时，sq＝1；
[0108]
其中，阈值h
p
和hq均大于0。
[0109]
如图5所示，在交流测采集电压和电流信号，实时计算输入变换器的有功功率p和无功功率q，将六个非零电压矢量分为12个扇区，每两个相邻矢量之间相差60
°
。直流侧采用
电压外环、功率内环的结构。有功功率给定为p
ref
，电压外环起到快速跟随电压给定u
dc
的作用。为了彻底实现pwm变换器单位功率因数控制，无功功率的给定q
ref
为0。通过p、q和p
ref
、q
ref
的比较产生有功和无功功率的状态变量s
p
和sq。
[0110]
将本发明的开关表用于目前直接功率控制的逆变系统中，可以得到更小谐波的输出电流，同时对有功功率和无功功率的控制效果更理想，使得系统响应速度更迅速。