风电并网变换器直接功率控制策略
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第45卷第8期2011年8月Vol.45，No.8August 2011电力电子技术Power Electronics基金项目：国家科学自然基金（51077034）定稿日期：2011-06-15作者简介：金明凤（1987-），女，江苏宿迁人，硕士研究生，研究方向为风力发电变流技术。
1引言随着电力电子技术和永磁同步电机制造技术的发展，在变速恒频风力发电技术中，采用PMSM 的直驱系统能量损失少，维护成本低，成为变速恒频风力发电极具潜力的主流技术之一。
直驱永磁同步风力发电机组中的驱动变换器通常采用网侧变换器和机侧变换器组成的背靠背变换器，这里对网侧变换器的控制策略展开研究。
类似于直接转矩控制（DTC ），直接功率控制（DPC ）是通过对逆变器输出有功、无功进行观测计算，与给定值比较后选择适当的空间电压矢量，实现对功率的直接控制。
DPC 系统算法简单，动态响应快，鲁棒性好，具有良好的开发和应用前景[1]。
2并网逆变器直接功率控制系统2.1三相电压型并网逆变器的数学模型图1示出三相电压型PWM 并网逆变器主电路拓扑结构。
S k 为逆变器开关管VS k 的开关函数，k =a ，b ，c ，当S k =1时，上桥臂开通，下桥臂关断；当S k=0时，上桥臂关断，下桥臂开通[2]。
根据图1可得三相电压型并网逆变器在两相静止α，β坐标系下的数学模型为：e α=L d i α/d t +u α，e β=L d i β/d t +u β（1）式中：e α，e β，u α，u β分别为e s ，u s 在α，β轴的分量；i α，i β为i s 在α，β轴的分量；电流方向选取流向功率管为正方向。
风电并网变换器直接功率控制策略金明凤1，赵为2，杨淑英1，张兴1（1.合肥工业大学，电气与自动化工程学院，安徽合肥230009；2.阳光电源股份有限公司，安徽合肥230088）摘要：针对直驱型永磁同步风力发电机背靠背驱动变换器中的网侧变换器，对直接功率控制策略进行了研究。
相对于常规矢量控制策略而言，引入直接功率控制策略不仅能够提高变换器的动态响应特性，而且对参数变化具有较好的鲁棒性。
在建立三相电压型并网逆变器静止坐标系下数学模型的基础上，阐述了并网逆变器直接功率控制机理，论述了并网逆变器直接功率控制的设计过程。
搭建3kW 仿真和实验平台进行相应实验研究，结果验证了直接功率控制设计的正确性。
关键词：变换器；并网；风力发电；直接功率控制中图分类号：TM46文献标识码：A文章编号：1000-100X （2011）08-0066-02Direct Power Control of Grid -connected ConverterUsed for Wind -power GenerationJIN Ming -feng 1，ZHAO Wei 2，YANG Shu -ying 1，ZHANG Xing 1（1.Hefei University of Technology ，Hefei 230009，China ）Abstract ：This paper focuses on the direct power control of grid -connected converter in the back to back drive con -verter which is used for the direct -driven permanent synchronous wind -power generation pared with con -ventional vector control strategy ，the direct power control strategy not only improves the converter dynamic response but also has better robust for parameter transformation.On the basis of establishing mathematical model of three -phase voltage source grid -connected inverter in static coordinate ，the direct power control mechanism of grid -connected in -verter is elaborated and the design process of it is discussed.In order to test and verify the correctness and perfor -mance of direct power control ，a 3kW simulation and experimental platform is constructed and the corresponding ex -perimental study is conducted.Keywords ：converter ；grid -connected ；wind power generation ；direct power controlFoundation Project ：Supported by National Natural Science Foundation of China （No.51077034）图1三相电压型PWM 逆变器并网拓扑结构图5DPC 系统仿真波形2.2并网逆变器直接功率控制原理并网逆变器矢量控制策略中，有功功率P 、无功功率Q 是通过d ，q 坐标系下相关电流的闭环控制实现的。
为获得功率的快速响应，借鉴了电机控制中DTC 的思路，即DPC 。
其思路为：首先检测计算瞬时有功、无功功率P ，Q ，将其与给定功率P *，Q *比较，偏差值△P ，△Q 通过滞环比较器得到开关信号S P ，S Q ，结合空间电压矢量位置查询开关表确定S a ，S b ，S c 。
系统结构如图2所示[3-4]。
2.2.1功率滞环比较器基于α，β坐标系的并网逆变器P =-（e αi α+e βi β），Q =-（e αi β-e βi α），其中负号表示P ，Q 的方向为流向电网。
功率滞环比较器的输入为△P ，△Q ，输出为开关信号S P 和S Q 。
滞环比较器的滞环宽度为2H P ，2H Q ，值得注意的是：滞环宽度的选取直接影响并网逆变器输出电流的THD 、平均开关频率和瞬时功率的跟踪能力。
当H P ，H Q 增大时，逆变器平均开关频率随即降低，而谐波电流增大，功率跟踪能力下降，因此H P ，H Q 的选取需折中考虑，通常约为功率给定值的5%[5]，图3示出滞环比较器滞环特性。
S P ，S Q 仅有1或0这2种状态。
滞环比较器的滞环特性如下：当△P ＞H P 时，S P =1；当-H P ＜△P ＜H P时，d △P /d t ＜0，S P =1；当△P ＜-H P 时，S P =0；当-H P ＜△P ＜H P 时，d △P /d t ＞0，S P =0。
无功功率滞环比较器的滞环特性同上。
2.2.2电压矢量扇区划分及开关表系统空间电压矢量由8个矢量组成，即U 0～U 7，其中U 1～U 6为非零矢量，U 0，U 7为零矢量。
6个非零矢量将α，β平面平均分为6个区域，再平分得到12个扇区，如图4a 所示。
扇区号用n 表示，n 可根据e α，e β判断。
不同电压矢量对P ，Q 影响不同，需选择合适的电压矢量对P ，Q 进行调节。
开关表通过S P ，S Q 及电网电压矢量位置来确定DPC 控制所需的开关状态S k ，从而决定桥臂输出电压矢量u r 。
由并网逆变器的数学模型可得电流矢量为：I =I （0）+1Lt乙（e -u r）d t（1）式中：e 为电网电压矢量；I （0）为初始时刻电流矢量。
在一个采样周期T 内e -u r 不变，而此时参考电流矢量为I *，I *由P *，Q *确定，则式（1）可改写为：I =I （0）+T （e -u r ）/L =I *（2）由上式可知，在T 内为了使I 跟踪I *，则必须使逆变器输出合适的u r ，使I （0）沿e -u r 方向变化得到的I 跟踪I *。
如图4b 所示，设e 在θ12区域内，若I 滞后并小于I *，此时P *-P ＞H P ，Q *-Q ＞H Q ，由滞环特性得：S P =S Q =1。
此情况下，u r 可使I 沿e -u r 矢量方向趋近于I *的有U 5（001）和U 6（101），鉴于U 5的跟踪时间快于U 6，故选择U 5，从而使I （0）沿e -U 5矢量方向变化得到的I 趋近于I *，P ，Q 趋近于P *，Q *，从而确定S abc =001。
同理对e 处于其他扇区及对应的滞环输出结果S P ，S Q 进行分析，即可得到开关表。
3直接功率控制系统仿真与实验3.1直接功率控制系统仿真研究这里对上述理论进行仿真研究，相关参数：U dc =200V ，L =1mH ，交流输出相电压峰值U m =50V 。
图5a 为当P *阶跃变化时，P ，Q 的仿真波形，图5b 为输出电流波形。
图2系统结构框图第45卷第8期2011年8月Vol.45，No.8August 2011电力电子技术Power Electronics3.2直接功率控制系统实验研究基于图2示出的系统结构框图，搭建实验平台。
实验主电路参数：U dc =200V ，L =1mH ，逆变器输出经60V/380V 变压器接至电网，控制电路采用TMS320LF28335型DSP ，实验波形如图6所示。
实验首先检测e a ，e b ，e c 及其过零电信号以实现信号同步，根据e α，e β判断空间电压矢量的扇区号。
由图6d 所示，当P *变化时，P 能快速跟踪其变化，且响应时间较短，实验结果表明，并网逆变器DPC 系统具有良好的动静态性能。
4结论重点研究了一种基于直接功率控制的并网逆变器，该方法避免了常规的电流闭环矢量控制时复杂的d ，q 变换，直接在α，β坐标系下建立逆变器的数学模型，分析瞬时功率控制理论，实现对逆变器输出有功、无功的单独控制。
实验结果表明，并网逆变器的直接功率控制可满足高功率因数运行，且具有良好的动静态特性以及较好的鲁棒性。
参考文献[1]张崇巍，张兴.PWM 整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.[2]王久和，李华德，王立明.电压型PWM 整流器直接功率控制系统[J].中国电机工程学报，2006，26（18）：54-60.[3]王久和，李华德，李正熙.电压型PWM 整流器直接功率控制技术[J].电工电能新技术，2004，23（3）：64-67.[4]Toshihiko Noguchi ，Hiroaki Tomiki ，Seiji Kondo ，et al.Di -rect Power Control of PWM Converter without Power -source Voltage Sensors [J].IEEE Trans.on Industry Ap -plications ，1998，34（3）：473-479.[5]Sergio Aurtenechea Larrinaga.Predictive Control Strategyfor DC/AC Converters Based on Direct Power Control[J].IEEE Trans.on Industry Electronics ，2007，54（3）：1261-1271.图6实验波形子电阻为2.57Ω，定、转子漏感皆为11mH ，互感为234mH ，实验中并网前转速为1250r ·min -1。
