一種電壓型三電平npc變流器直接功率控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子技術領域，涉及一種電壓型三電平NPC變流器直接功率控制 方法。
【背景技術】
[0002] 電壓型三電平中點鉗位（Neutral Point Clamped即NPC)變流器是目前最為常用 的多電平變流器，相比于傳統(tǒng)的兩電平變流器，三電平NPC變流器具有輸出功率大、輸出波 形THD小、器件電壓應力和系統(tǒng)EMI低等多方面的優(yōu)點，因而被廣泛的應用于各種中高壓大 功率場合。
[0003] 自20世紀90年代以來，針對三電平NPC變流器的研究層出不窮，其中，高性能控 制策略是三電平NPC變流器研究的一個熱點問題。目前，在PffM變流器中，最常用的高性能 控制策略是電壓定向矢量控制策略（Voltage Oriented Control Strategy即V0C)。1983 年，Akagi H教授提出了著名的瞬時功率理論（pq理論），為新的電力電子變流器控制策略 的產生提供了重要理論基礎；20世紀80年代中期，日本的Takahashi I教授和德國魯爾大 學的Depenbrock M教授分別提出了圓形直接轉矩控制方案和六邊形直接轉矩控制方案。 1991年，Ohnishi T結合瞬時功率理論和直接轉矩控制的思想提出了 DPC策略，他將瞬時有 功功率、無功功率用于PWM(Pulse Width Modulation)變流器閉環(huán)控制系統(tǒng)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 斷的發(fā)展，應用于各種電力電子變流器與各種應用環(huán)境中。
[0004] 相對于VOC策略，DPC策略不需要旋轉變換，它直接選擇合適的矢量實現(xiàn)對瞬時功 率的控制，從而具有算法簡單、動態(tài)響應更好等優(yōu)點。然而，由于三電平NPC變流器的特殊 性及矢量復雜性，DPC策略的應用遠不如VOC策略廣泛。在可見的三電平NPC變流器DPC策 略研究中，鮮有研究交直流電壓比這一重要指標對DPC矢量策略矢量選擇的影響。進一步 的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的三電平DPC策略在某些區(qū)域會引起瞬時無功功率的異常波動，這大大 增加了系統(tǒng)輸出電壓、電流的THD值。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于提供了一種電壓型三電平NPC變流器直接功率控制方法，該控 制方法能使在任意交直流電壓比情況不會引起瞬時無功功率異常波動。
[0006] 本發(fā)明所采用的技術方案是，一種電壓型三電平NPC變流器直接功率控制方法， 采用電壓型三電平中點鉗位變流器，其特征在于，具體按照以下步驟實施；
[0007] 步驟1，采集交流側三相電壓ua、ub、u。和電流i a、ib、i。的瞬時值，計算得到系統(tǒng)瞬 時有功功率P和瞬時無功功率q ;
[0008] 步驟2,根據(jù)交流側三相電壓ua、叫和u。的瞬時值，應用三相鎖相環(huán)鎖定系統(tǒng)相位 角Θ，根據(jù)Θ確定所在扇區(qū)θ η:
[0009] 步驟3,計算交直流電壓比η ;
[0010] 步驟4,根據(jù)步驟3中計算的交直流電壓比Tl的值，確定電壓比變量Sn;
[0011] 步驟5,確定有功功率偏差變量Sp和無功功率偏差變量S q;
[0012] 步驟6,確定無功波動變量Srp;
[0013] 步驟7,根據(jù)確定的Sn、&、Sp、Sq、θ n，確定DPC策略應采用的具體矢量：
[0014] 步驟8,根據(jù)實際電容電壓波動情況，選擇Vsi-Vs6對應的合適開關狀態(tài)平衡直流電 容電壓；
[0015] 步驟9,根據(jù)步驟8中的開關狀態(tài)，控制每相各開關器件的打開和關閉，使系統(tǒng)實 際輸出功率達到設定要求。
[0016] 本發(fā)明的特點還在于，
[0017] 步驟1中計算系統(tǒng)瞬時有功功率p和瞬時無功功率q的公式為：
[0018]
[0019] 步驟2根據(jù)Θ確定所在扇區(qū)0。的公式為：
[0020]
[0021] 步驟3中交直流電壓比η的計算公式為：
[0022]
(3)
[0023] 公式（3)中，若為整流器，測量交流側相電壓有效值U，Ud。為整流器直流電壓給定 值，若為逆變器，測量直流側總電壓U d。，U為設定的交流側相電壓有效值。
[0024] 步驟4中確定電壓比變量S n具體為：
[0025] (a)當n e (〇, 1/2)，參考電壓合矢量位于三電平NPC變流器矢量分布圖中六個 小矢量構成六邊形的內切圓中，電壓比變量S n = 1，
[0026] (b)當:/ 2,〗/#)，參考電壓合矢量位于電壓合矢量位于六個小矢量構成的 內切圓和外接圓之間，電壓比變量Sn= 2，
[0027] (C)當q e (I 2)，參考電壓合矢量位于六個小矢量構成正六邊形的外接 圓與六個大矢量構成正六邊形之間，電壓比變量Sn = 3 ;
[0028] 參考電壓合矢量的表達式如公式（4)所示，公式（4)中ua、Ub和u。為交流側三相 電壓的瞬時值，V raf為參考電壓合矢量，α =θ ]2π/3，
[0029]
(4)
[0030] 步驟5中根據(jù)公式（5)和（6)確定有功功率Sp和無功功率Sq ;
[0031]
[0033] 公式（5)和（6)中，直流側給定電壓U d/與反饋電壓U d。的差值經過PI控制 器得到，q#由系統(tǒng)設定，Hp為瞬時有功功率的滯環(huán)寬度，H q為無功功率的滯環(huán)寬度，Hp和Hq 由系統(tǒng)設定，P系統(tǒng)瞬時有功功率和q瞬時無功功率為步驟1中計算值。
[0034] 步驟6中確定無功波動S1^具體為：
[0035] Sit表征系統(tǒng)是否運行于瞬時無功功率異常波動易發(fā)生的范圍，設定無功功率異常 波動易發(fā)生范圍為：奇數(shù)扇區(qū)的初始5°范圍內，偶數(shù)扇區(qū)的初始Γ范圍內，若系統(tǒng)處于 無功功率異常波動易發(fā)區(qū)域，Sit= 1，否則Sit= 0。
[0036] 步驟7中確定應采用DPC策略的應采用的具體矢量具體為：
[0037] 定義Θ ^ Jj = 1…6)表示奇數(shù)扇區(qū)，Θ 2i表示偶數(shù)扇區(qū)，
[0038] a)當瞬時無功功率在可控范圍內，即Sq= 0或1時，DPC策略在每個扇區(qū)中根據(jù) 交直流電壓比η的值及Sp、Sq的具體情況，根據(jù)公式（7)、（8)、（9)、（10)選擇該扇區(qū)的合 適矢量控制系統(tǒng)的瞬時功率，其中，U d。為直流側總電壓，u μ和u q分別為各矢量在d軸和q 軸上的投影，d軸對應有功電壓，q軸對應無功電壓；
[0039] L0041J

[0043] b)當瞬時無功功率發(fā)生異常波動，即Sq= -1或2時，DPC策略在每個扇區(qū)中根據(jù) 交直流電壓比η的值及sp、sq的具體情況，根據(jù)公式（11)、（12)、（13)、（14)選擇該扇區(qū)或 鄰近扇區(qū)的合適矢量控制系統(tǒng)的瞬時功率，其中，U d。為直流側總電壓，u H和u q分別為各矢 量在d軸和q軸上的投影，ω為系統(tǒng)角頻率，Ls為交流側感抗值，p為系統(tǒng)瞬時有功功率，
[0044]
[0048] 步驟8中Vsi-Vs6矢量對應開關狀態(tài)的選擇原則為：
[0049] 首先確定直流電容電壓的波動情況，若上電容電壓高下電容電壓低則需對上電容 放電，下電容充電，若下電容電壓高上電容電壓低則需對下電容放電下電容充電，
[0050] 其次確定Vsi-Vs6F同開關狀態(tài)對應的中點電流i。，以流出為正，其公式（15)、（16) 為：
[0051] i。= SaciX ia+Sbc]Xib+SOTXic (15)
[0052]
U6)
[0053] 最后根據(jù)直流電容電壓的波動情況和開關狀態(tài)對應中點電流的正負選項合適開 關狀態(tài)：若上電容電壓高下電容電壓低選擇1。>〇對應的開關狀態(tài)，否則選擇1。〈〇對應的開 關狀態(tài)。
[0054] 步驟9中控制每相各開關器件的打開和關閉具體為：輸出矢量表中包含三相的開 關狀態(tài)，以PON為例，則a相輸出P狀態(tài)，b相輸出0狀態(tài)，c相輸出N狀態(tài)。若某相輸出P 狀態(tài)，則該相的