电测与仪表ElectricalMeasurement&Instrumentation第50卷总第572期2013年第8期Vol.50No.572Aug.20130引言近年来，随着能源危机逐渐加剧，可再生绿色能源的开发利用被人们逐渐重视[1]，三相电压型并网逆变器作为电网与可再生能源的连接部分[2]，其性能好坏直接影响整个发电系统。因此，对三相并网逆变器控制方法的研究具有一定现实意义。目前，三相电压型并网逆变器的控制主要采用矢量控制（VC）技术[3]，但VC需要复杂的同步速旋转坐标变换和空间矢量脉宽调制（SVPWM）。为使控制方法更为快速、简单，基于交流电机直接转矩控制[4]思想的直接功率控制（DPC）[5]被提出并得到广泛的应用。但传统的DPC系统采用滞环比较器通过查询开关矢量表选择电压矢量实现控制，因此滞环宽度会直接影响控制效果，且在宽度固定时，开关频率不恒定，并会造成频率不固定的电流谐波，给电力滤波器的设计带来困难。针对该问题，本文以并网逆变器交流侧输出电压基于功率预测模型的并网逆变器直接功率控制杨健，李颖晖，李宁（空军工程大学航空航天工程学院，西安710038）摘要：传统的直接功率控制（DPC）存在开关频率随采样时间、负载参数和系统状态变化而变化，产生分散的谐波成份的问题。本文提出了一种基于功率预测模型的三相并网逆变器直接功率控制策略。该控制策略将一定的预测算法与瞬时功率理论结合，以逆变器交流侧输出电压为控制对象，建立功率预测模型，得到参考输出电压，同时为了减小开关损耗，选择对称式电压空间矢量序列控制逆变器输出电压，从而控制瞬时功率有效跟踪参考功率值。仿真结果分析，该控制策略有较好的动静态性能，可实现恒定的开关频率，与直接功率控制相比体现出更好的谐波抑制效果。关键词：三相并网逆变器；功率预测模型；直接功率控制；对称式电压矢量序列中图分类号：TM464文献标识码：A文章编号：1001-1390（2013）08-0026-05Model-BasedPredictiveDirectPowerControlofThree-PhaseGrid-ConnectedInvertersYANGJian，LIYing-hui，LINing（CollegeofAeronauticsandAstronauticsEngineering,AirForceEngineeringUniversity,Xi’an710038,China）Abstract：Thetraditionaldirectpowercontrol（DPC）hastheproblemthatswitchfrequencyvarieswiththechangesofsampletime,loadparameterandsystemstate,whichresultinthedispersiveharmonic.Therefore,thispaperputsforwardacontrolstrategyofModel-basedpredictivedirectpowercontrol.Combiningsomepredictivealgorithmwithinstantaneousactiveandreactivepowertheory,andtakingtheinverterACsideoutputvoltageascontroltarget,thecontrolstrategysetsupthepowerpredictivemodeloftheInverterstoobtainthereferencevalue.Meanwhile,inordertoreducethewastageoftheswitch,thestrategychoosesthesymmetrytypeelectricvoltagevectorsequencetocontroltheinstantaneouspowerwhichcanfollowthereferencepowervalue.Bysimulationanalysis,itisverifiedthatthecontrolstrategycanobtainbetterdynamicandstaticperformance,whichhasafixedswitchfrequencyandhasthebetterrestraineffectofharmoniccomparedwithdirectpowercontrol.Keywords：three-phasegrid-connectedinverters，powerpredictivemodel，directpowercontrol,symmetrytypeelectricvoltagevectorsequen*基金项目：国家自然科学基金资助项目（610740007）26--

电测与仪表ElectricalMeasurement&Instrumentation第50卷总第572期2013年第8期Vol.50No.572Aug.2013为控制对象，采用一定的功率预测算法，建立功率预测模型，提出了一种基于功率预测模型的三相并网逆变器的直接功率控制策略。该策略利用预测模型，得到逆变器交流侧的参考输出电压，再采用空间矢量调制的手段，选择对称式电压空间矢量序列控制输出电压，保证瞬时功率有效跟踪参考功率，从而确保逆变器开关频率稳定，输出电流谐波成分小。1逆变器的功率预测模型三相逆变器主电路如图1所示，将三相电压、电流转换到αβ静止坐标系中，并假设电网输入侧电压为三相对称，按照文献对有功、无功功率的定义有：PQ=vTαvTβvTβ－vTαiTαiTβ（1）式中vTα、vTβ、iTα、iTβ分别为电网电压vT、逆变器滤波电感电流iT在静止αβ坐标系中的分量。由式（1）可得到在一个采样周期前后有功功率和无功功率的变化为：P（k+1）－P（k）Q（k+1）－Q（k）=vTα（k+1）vTβ（k+1）vTβ（k+1）－vTα（k+1）iTα（k+1）iTβ（k+1）－vTα（k）vTβ（k）vTβ（k）－vTα（k）iTα（k）iTβ（k）（2）一般情况下三相并网逆变器采样周期一般为几千赫兹，电网电压周期远远小于采样周期，即可认为电网电压在一个采样周期内的电压是不变的，即vT（k+1）≈vT（k），进线电抗器的电感值也为常数，则式（2）可以简化为：P（k+1）－P（k）Q（k+1）－Q（k）=vTα（k）vTβ（k）vTβ（k）－vTα（k）iTα（k+1）－iTα（k）iTβ（k+1）-iTβ（k）（3）由图1，对于逆变器每个桥臂有式（4），其中VK为逆变器交流侧输出电压矢量。VK=RiT+LdiTdt+vT（4）忽略滤波电感电阻值，变换上式为一阶差分方程可得[7]：iTα（k+1）－iTα（k）iTβ（k+1）－iTβ（k）=TsLVTα（k）VTβ（k）%－vTα（k）vTβ（k）≈≈%（5）将式（5）代入式（2）可得：P（k+1）－P（k）Q（k+1）－Q（k）=TSLvTα（k）vTβ（k）vTβ（k）－vTα（k）×VKα（k）VKβ（k）%－vTα（k）vTβ（k）≈≈%（6）因此，由式（6）可知要实现三相逆变器的控制就需要在第k时刻预测出从第k时刻到第k+1时刻有功和无功功率的变化值。设在第k时刻，实际瞬时有功、无功功率值同参考值的误差为:δP（k）δQ（k）=Pref（k）－P（k）Qref（k）－Q（k）（7）根据直接功率控制控制目标，任一时刻瞬时有功、无功功率值能够跟踪参考有功、无功功率值，即在第k+1时刻使Pref（k+1）=P（k+1）、Qref（k+1）=Q（k+1）。k+1时刻的参考值可以根据k时刻功率参考值及k-1时刻功率的参考值通过线性插值法可得，有：Pref（k+1）Qref（k+1）=2Pref（k）2Qref（k）－Pref（k－1）Qref（k－1）（8）则可得第k时刻到第k+1时刻有功和无功功率的变化值为：P（k+1）－P（k）Q（k+1）－Q（k）=Pref（k）－Pref（k－1）+δP（k）Qref（k）－Qref（k－1）+δQ（k）（9）将式（9）代入式（6）中整理得：VKα（k）VKβ（k）=vTα（k）vTβ（k）+LTS（vTα（k）2+vTβ（k）2）×vTα（k）vTβ（k）vTβ（k）－vTα（k）×Pref（k）－Pref（k－1）+δP（k）Qref（k）－Qref（k－1）+δQ（k）（10）由式（10）可知，利用当前采样时刻信息，通过计算可得逆变器交流侧第k个采样周期应输出电压。因此，通过控制逆变器输出电压VK可以控制有功和无功功率变化，实现直接功率控制的控制目标。2对称式电压空间矢量序列在建立功率预测模型的基础上，对于逆变器的控制采用“3+3对称电压矢量序列”。由式（6）可知功率变化与滤波电感及逆变器开关状态有关，在给定某一电压矢量时，Vk=［VkαVkβ］T保持一定，当开关频率足够大时,VT=［VTαVTβ］T为一常数，因而在给定的电压矢量时间内，功率变化率可以认为图1三相并网逆变器主电路图Fig.1Three-phasevoltagegrid-connectedinverter27--

电测与仪表ElectricalMeasurement&Instrumentation第50卷总第572期2013年第8期Vol.50No.572Aug.2013是一近似常数，即得：kPi=ΔPV軑k=Vi→kQi=ΔQVk→=Vi→（11）式中Vi表示8个基本电压矢量中之一，如图2所示。因而我们可以得出预测轨迹，如下式所示：Pi－Pi－1=kPitaiQi－Qi－1=kQitai（12）式中Pi－1、Qi－1为第i个电压矢量作用初的初始值；tai是第i个电压矢量作用时间；Pi、Qi为作用后的终值。如图3所示，3+3对称开关模式就是把电压矢量序列分解为对称的两个子序列，使两个子序列的电压矢量是相同的，其作用时间也是相同的，只是作用顺序相反。在每个控制周期的开始，控制器选择三个电压矢量。选择原则是：逆变器桥臂的开关管在线电流值最大时不动作，以避免过大的电流损耗。如图2所示，电压矢量将区域划分为6个60°的扇区或12个子扇区。由于最近的电压矢量引起的电流纹波最小，因而当参考电压矢量处于θi扇区时，选取的电压矢量应为{vivi-1vi+1}和{v0v7}。为了实现直接功率控制的控制目标，达到最优的跟踪效果，使一个采样周期结束时功率的误差最小，定义如下误差函数［10］：K=e2Kp+e2Kq（13）在式（13）中eKp、eKq分别为：eKp=Pref（k+1）－P（k）－2kp1ta1－2kp2ta2－2kp3ta3eKq=Qref（k+1）－Q（k）－2kq1ta1－2kq2ta2－2kq3ta3（14）式中ta1,ta2,ta3为三个所选电压矢量所对应的作用时间，且TS/2=ta1+ta2+ta3，TS为采样周期。利用数学中求极值的知识，为使得式（13）误差函数最小，最小的矢量作用时间应满足如下条件：鄣K鄣ta1=0鄣K鄣ta2=0鄣K鄣ta3=鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣鄣0（15）因而通过计算整理可得电压矢量对应的作用时间ta1,ta2,ta3。再根据得到的作用时间，合理的安排电压矢量的输出顺序。根据此原理可设计三相并网逆变器的控制策略框图如图4所示。将采样得到的电网电压和电流经过坐标转换计算瞬时功率，再结合参考功率利用功率预测模型得到参考输出电压。根据参考电压选择电压矢量，并利用最优跟踪函数计算电压矢量作用时间，然后通过空间矢量调节产生所需开关信号驱动逆变器工作。3仿真验证为了验证基于功率预测模型的直接功率控制策略的控制效果，本文利用Matlab/simulink进行仿真。仿真参数如下：udc=270V，滤波电感L=10mH，滤波电阻R=25mΩ，电网相电压幅值vT=100V，采样频率为40kHz，控制周期Ts=10μs。图5为不同控制策略逆变器A相电流波形及其频谱分析。其中，图5（a）（b）采用传统的直接功率控制，图2电压矢量图Fig.2Voltagevector图3对称式电压空间矢量Fig.3Symmetrytypevoltagevector图4三相逆变器控制框图Fig.4ControlframeofThree-phaseinverters28--

电测与仪表ElectricalMeasurement&Instrumentation第50卷总第572期2013年第8期Vol.50No.572Aug.2013图5（c）（d）采用本文提出的控制策略，对比可知，图5（a）中的输出电流与图5（c）的电流相比，电流波形波动较大，得到的波形不如后者。经频谱分析，图5（c）的输出电流谐波含量明显小于图5（a），尤其在低次谐波部分取得到了很好的衰减效果，其THD为4.43%，而采用直接功率控制的THD为5.54%。这说明本文的控制策略相比传统的直接功率控制在稳态性能方面得到进一步提升，可以更有效地抑制低次谐波。图6和图7为给定逆变器有功功率1000W，无功功率0Var时，两个不同控制策略得到的逆变器有功功率和无功功率的仿真波形，其中，图6为稳态时有功功率和无功功率的仿真波形。不难看出，本文策略得到的波形与传统的直接功率控制相比，波动较小，说明基于功率预测模型的直接功率控制策略稳态性能好，能够实现稳定的开关频率，更容易得到正弦化的逆变器的输出电流波形。图7为逆变器输出有功功率从1000W突变至500W以及给定发出无功功率从0突变至500var时两种控制策略得到的功率变化的仿真波形。图7（a）采用传统的直接功率控制，图7（b）采用本文的控制策略，由仿真结果可得，两种控制策略在给定的有功和无功功率改变时，都表现出很好的动态性能，也都能够实现有功和无功功率的解耦控制,说明本文的控制策略很好的继承了传统的直接功率控制动态特性好，响应迅图6有功功率和无功功率的稳态仿真波形Fig.6Steadysimulativewaveformofactiveandreactivepower（a）传统的直接功率控制（b）基于功率预测模型的直接功率控制图7有功功率和无功功率的动态仿真波形Fig.7Dynamicsimulativewaveformofactiveandreactivepower（a）传统的直接功率控制（b）基于功率预测模型的直接功率控制图5逆变器A相电流输出波形及频谱Fig.5WaveformofA-phaseandit’scurrentspectra（a）采用直接功率控制的A相电流输出波形（b）采用直接功率控制的A相电流频谱（c）采用本文控制策略控制的A相电流输出波形（d）采用本文控制策略控制的A相电流频谱29--

电测与仪表ElectricalMeasurement&Instrumentation第50卷总第572期2013年第8期Vol.50No.572Aug.2013速的优点。4结束语本文针对三相并网逆变器传统直接功率控制中开关频率不恒定会产生谐波等问题，研究了新的控制策略，提出了基于功率预测模型的直接功率控制，并对该控制策略在逆变器中的应用进行了分析。仿真分析表明，该控制策略相比传统的直接功率控制具有开关损耗小、开关频率稳定的优点，同时也有效地减小了输出电流的低次谐波。因此，为三相并网逆变器性能改善提供了一种先进的控制方法。参考文献[1]RahmanS.GreenPower.WhatisItandWhereCanWeFindIt[J].IEEEPowerandEnergyMagazine,2003,1(1):30-37.[2]曾正,杨欢,赵荣祥,等.多功能并网逆变器研究综述[J].电力自动化设备,2012,32(8):5-15.ZENGZheng,YANGHuan,ZHAORong-xiang,etal.TheStudyofMulti-functionGrid-ConnectedInverters[J].ElectricPowerAutomationEquipment,2012,32(8):5-15.[3]IbrahimA.VectorControlofCurrentRegulatedInverterConnectedtoGridforWindEnergyApplications.InternationalJournalofRenewableEnergyTechnology,2009,1(1):17-28.[4]罗萍,吕霞付,唐贤伦,等.感应电机直接转矩控制系统仿真研究[J].电测与仪表,2012,49(3):28-32.LUOPing,LVXia-fu,TANGXian-lun,,etal.EmulationResearchofDirectTorqueControlofInductionMotor[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2012,49(3):28-32.[5]BouafiaA,KrimF,GaubertJP.Fuzzy-logic-basedSwitchingStateSelectionforDirectPowerControlofThree-phasePWMRectifier[J].IEEETransactionsonIndustryElectronics.2009，56(6):1984-1992.[6]SergioAurtenecheaLarrinaga,MiguelAngelRodríguezVidal,EstanisOyarbide.PredictiveControlStrategyforDC/ACConvertersBasedonDirectPowerControl[J].IEEETrans.vol.54,2007,54（3）：1261-1272.[7]乐江源,张志,赖小华.三相并联型有源电力滤波器预测直接功率控制[J].电机与控制学报,2012,16(5):86-90.LEJiang-yuan,ZHANGZhi,LAIXiao-hua.PredictiveDirectPowerControlofThree-phaseShuntActivePowerFilter[J].Electricmachinesandcontrol,2012,16(5):86-90.[8]赵方平,杨勇,阮毅,等.三相并网逆变器直接功率控制和直接功率预测控制的对比[J].电工技术学报,2012,7(7):212-220ZhaoFang-ping,YangYong,RuanYi,etal.ComparativeStudyforDirectPowerControlandDirectPowerPredictiveControlinThree-PhaseGrid-ConnectedInverters[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2012,7(7):212-220[9]YasserAbdel-RadyIbrahimMohamedandEhabF.ControlSchemeforPWMVoltage-SourceIstributed-GenerationInvertersforFastoad-VoltageRegulationandEffectiveMitigationUnbalancedVoltageDisturbances[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2008,55(5):2072-2085.[10]ErrabelliRammohanRao，MutschlerPeter.FaultTolerantVoltageSourceInverterforPermanentMagnetDrives[J].IEEETransactionsonPowerElectronics2011,27(2):500-508.作者简介：收稿日期：2013-03-07；修回日期：2013-06-09（常会敏编发）杨健（1988—），男，陕西西安人，硕士研究生，专业方向逆变器建模与控制研究。Tel：13649297806，Email:shanshan1988_111@yahoo.cn李颖晖（1966—），女，湖南株洲人，教授，博士生导师，专业方向为先进控制理论及应用。李宁（1985—），男，宁夏固原人，博士研究生，专业方向为逆变器拓扑及其容错控制。30--