高燃，賈鳳鳴，黃偉民，陳旭東

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，合肥230061）

直流輸電系統(tǒng)電壓源換流器直接功率控制研究

高燃，賈鳳鳴，黃偉民，陳旭東

（國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司檢修公司，合肥230061）

隨著全控型電力電子器件的成本降低和技術(shù)不斷成熟，電壓源換流器技術(shù)在直流輸電領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用?；谑噶勘淼闹苯庸β士刂朴捎谄浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、參數(shù)魯棒性好和無需電流內(nèi)環(huán)整定等優(yōu)點(diǎn)而得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究一種應(yīng)用于直流輸電領(lǐng)域基于直接功率控制的電壓源換流器，提出一種有效的控制矢量表，具有很好的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。最后以仿真結(jié)果驗(yàn)證所提矢量表的有效性。

直流輸電；電壓源換流器；直接功率控制；矢量表

0 引言

近些年來，隨著全控型電力電子器件（如GTO，IGBT）成本的不斷降低和技術(shù)成熟，電壓源換流器（Voltage Source Converter，VSC）在電機(jī)變頻調(diào)速、柔性交流輸電（Flexible AC Transmission Systems，F(xiàn)ACTS）及直流輸電中得到了越來越廣泛的應(yīng)用［1-2］。VSC不僅需要適用于不同功率等級(jí)的應(yīng)用場(chǎng)景，而且要做到能量的高效率轉(zhuǎn)換。因此，基于VSC的新型控制方式不斷涌現(xiàn)，并獲得了廣泛的關(guān)注。在VSC中提出較早并應(yīng)用廣泛的是電網(wǎng)電壓定向控制（Voltage oriented control，VOC）［3］，它通過旋轉(zhuǎn)變換將網(wǎng)側(cè)三相電流解耦成有功電流和無功電流分量，從而分別構(gòu)成有功電流和無功電流的閉環(huán)控制。VOC可以獲得良好的動(dòng)態(tài)性能以及穩(wěn)態(tài)性能，但是它對(duì)電流內(nèi)環(huán)PI（比例積分調(diào)節(jié)器）參數(shù)有較強(qiáng)的依賴性［4］。1998年Toshihiko Noguchi提出的直接功率控制（direct power control，DPC）［5］引起了廣泛關(guān)注。DPC不需要電流的旋轉(zhuǎn)變換，它直接通過矢量開關(guān)表選取合適的電壓矢量對(duì)有功和無功進(jìn)行控制，從而具有算法簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快等良好優(yōu)點(diǎn)［6-8］。DPC中開關(guān)矢量表是核心內(nèi)容，它對(duì)DPC控制效果的影響也最為顯著。

早期文獻(xiàn)［6］中，由于對(duì)矢量表建立不精確，導(dǎo)致控制效果在穩(wěn)態(tài)時(shí)有較大功率脈動(dòng)。為此，本文分析8個(gè)電壓矢量對(duì)有功和無功功率在不同扇區(qū)的影響，提出一種有效的改進(jìn)電壓矢量表。該矢量表在動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度上和原矢量表相當(dāng)，而在穩(wěn)態(tài)性能上較原始的矢量表有較大的提升。仿真結(jié)果證明了所提出矢量表的正確性和有效性。

1 直流輸電系統(tǒng)電壓源換流器模型

基于電壓源換流器的直流輸電系統(tǒng)如圖1所示，由其中一端交流電源通過變壓器及濾波系統(tǒng)輸

入一臺(tái)基于全控器件的電壓源型PWM整流器，得到穩(wěn)定的直流功率送入直流輸電線路，在另一端由另一臺(tái)基于全控器件的電壓源型PWM逆變器將直流功率逆變?yōu)榕c受端交流電網(wǎng)同步的交流功率，通過濾波及變壓器并入受端電網(wǎng)。

圖1 交流系統(tǒng)互聯(lián)的VSC—HVDC系統(tǒng)模型

圖2是三相電壓型PWM整流器的主電路，其中ea，eb和ec為網(wǎng)側(cè)三相交流電壓，L和R分別為三相交流電抗器的電感和等效電阻。

圖2 兩電平PWM整流器拓?fù)?/p>

VSC在靜止αβ坐標(biāo)上的數(shù)學(xué)模型為［9］

式中：x為變換后的復(fù)矢量；xa、xb、xc為三相abc的物理量；e、i和v分別為網(wǎng)側(cè)電壓矢量、網(wǎng)側(cè)電流矢量和整流器側(cè)電壓矢量。

根據(jù)瞬時(shí)功率理論［10］，網(wǎng)側(cè)復(fù)功率S表示為

式中：i*表示i的共軛。瞬時(shí)有功p和瞬時(shí)無功q分別為

進(jìn)一步可以得到

2 矢量表機(jī)理分析

2.1 矢量選擇

不同于早期文獻(xiàn)采用的12扇區(qū)，采用6扇區(qū)劃分法，在實(shí)現(xiàn)上更加容易，具體扇區(qū)劃分如圖3所示。

假設(shè)p=1 000 W，q=0 var，｜e｜=122 V，L=10 mH，R=0.3 Ω（與仿真和實(shí)驗(yàn)參數(shù)一致），由公式（6）可以得出有功功率和無功功率變化率為0的條件為

由于電感電阻很小，式（7）和（8）中在計(jì)算中可以忽略。假設(shè)電網(wǎng)電壓落在第一扇區(qū)（0°～60°），根據(jù)式（7）可得滿足有功功率變化率為0的電壓矢量落在直線AB上，如圖4所示。在AB左面有功功率的變化率大于0，在AB右面有功功率的變化率小于0。同樣分析無功功率變化率可得滿足無功功率變化率為0的電壓矢量落在直線CD上，在CD上側(cè)無功功率的變化率大于0，在CD下側(cè)無功功率的變化率小于0。

圖3 不同扇區(qū)電壓矢量的有功/無功變化率

從圖3可以清晰直觀地看出電網(wǎng)電壓落在第一

扇區(qū)時(shí)有功和無功變化率增加和減少的區(qū)域?？偨Y(jié)在第一扇區(qū)內(nèi)不同電壓矢量對(duì)有功功率和無功功率的影響，可得滿足功率變化需求的電壓矢量如表1所示。

表1 第一扇區(qū)電壓矢量的選擇

電網(wǎng)電壓矢量落在其他扇區(qū)時(shí)可進(jìn)行類似的分析，由于其他扇區(qū)及相應(yīng)的電壓矢量可以看作是第一扇區(qū)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)若干個(gè)60°而得到，最后可以得到在k扇區(qū)時(shí)滿足有功和無功變化需求的電壓矢量如表2所示。需要注意的是表2中k采用循環(huán)計(jì)數(shù)法，當(dāng)k小于0或大于6時(shí)應(yīng)分別加或者減6，即k=mod（k，6）。

表2 第k扇區(qū)電壓矢量的選擇

分析不同電壓矢量對(duì)功率變化的影響。為不失一般性，仍假設(shè)PWM整流器工作在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn)p=500 W，q=0 var，母線電壓Udc=150 V，電網(wǎng)電壓矢量e=｜e｜ejωt在復(fù)平面空間以電網(wǎng)角頻率勻速旋轉(zhuǎn)，不同的整流器電壓矢量可以表示為。代入公式（6），可得在一個(gè)電網(wǎng)電壓內(nèi)的不同電壓矢量所對(duì)應(yīng)的有功和無功變化率，如圖4所示。由圖4可以看出，在第一扇區(qū)內(nèi)（0°～60°），使有功功率變化率和無功功率變化率都增加的電壓矢量為V0、V7、V3、V4，有功增加而無功減少的為V5和V6，有功減少而無功增加的為V2，有功和無功同時(shí)減少的為V1。這與表1的結(jié)果一致，從另一個(gè)角度說明了前面利用兩條直線來劃分區(qū)域的正確性。

圖4 不同電壓矢量的有功/無功變化率

進(jìn)一步分析6個(gè)扇區(qū)，可得在第k扇區(qū)使有功功率的變化率和無功功率的變化率都增加的電壓矢量有3種（V0，V7，Vk+2，Vk+3），使有功功率變化率增加無功功率變化率減小的電壓矢量有2種（Vk-1，Vk-2），而使有功功率變化率減小、無功功率變化率增加的電壓矢量只有一種（Vk+1），使有功功率變化率和無功功率變化率都減小的電壓矢量也只有一種（Vk）。由圖5所得的結(jié)果與表2完全一致，證明了兩種分析方法的正確性?？偨Y(jié)圖4和表2的結(jié)果可以得出一種不同于原先的新型矢量表，如表3所示。

表3 改進(jìn)矢量表

3 仿真結(jié)果

圖5為VSC采用DPC控制的框圖。工頻交流側(cè)電壓有效值60 V，電感3 mH，直流母線電容840 μF，母線電壓150 V，采樣頻率20 kHz。給出兩種矢量表的仿真結(jié)果。圖7是原始矢量表［7］的突加載仿真結(jié)果，在0.05 s時(shí)系統(tǒng)從空載突加負(fù)載，從圖中可以看

出負(fù)載突變使得母線電壓稍有跌落，相應(yīng)的有功功率也快速提高與負(fù)載功率平衡。在此過程中無功功率始終為0，保持單位功率因數(shù)。圖8為改進(jìn)矢量表的仿真結(jié)果，與圖7的動(dòng)態(tài)性能基本一致，但有功功率的脈動(dòng)和無功功率脈動(dòng)明顯減小。

圖5 DPC控制框圖

圖6 原始矢量表的突加載的仿真結(jié)果

圖7 改進(jìn)矢量表的突加載的仿真結(jié)果

對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時(shí)刻的電流進(jìn)行THD分析如圖8、圖9所示。

可以看出改進(jìn)的矢量表電流THD值明顯小于原始矢量表電流THD值，改進(jìn)矢量表實(shí)現(xiàn)了控制優(yōu)化。

圖8 原始矢量表仿真電流THD分析

圖9 改進(jìn)矢量表的仿真電流THD分析

表4 兩種矢量表穩(wěn)態(tài)性能的仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的矢量表由于選取矢量不精確等因素，造成控制效果較差。提出一種有效的矢量表，并對(duì)如何建立該矢量表進(jìn)行了解析，最終仿真結(jié)果驗(yàn)證了改進(jìn)矢量表的有效性和正確性。

［1］SINGH B，SINGH BN，CHANDRA A，et al.A review of threephase improved power quality AC-DC converters［J］.IEEE Trans. Ind.Electron.，2004，51（3）：641-660.

［2］RODRIGUEZ J，DIXON J，ESPINOZA J，et al.PWM regenerative rectifiers：State of the art［J］.IEEE Trans.Ind.Electron.，2005，52（1）：5-22.

［3］BLASKO V and KAURA V.A new mathematical model and control of a three-phase ac-dc voltage source converter［J］.IEEE Trans.Power Electron.，1997，12（1）：116-123.

［4］PELTONIEMI P，NUUTINEN Pasi，NIEMELA M，et al.Voltage oriented control of a single-phase LVDC distribution network inverter［C］//In Applied Power Electronics Conference and Exposition，2009.APEC 2009.Twenty-Fourth Annual IEEE，pages 1589-1595，F(xiàn)eb.

［5］NOGUCHI T，TOMIKI H，KONDO S，et al.Direct power control of PWM converter without power-source voltage sensors［J］. IEEE Trans.Ind.Appl.，1998，34（3）：473-479.

［6］ALONSO MJ，CARRASCO JE，and ARNALTES S.Table-Based Direct Power Control：A Critical Review for Microgrid Applications［J］.IEEE Trans.Power Electron.，2010，25（12）：2 949-2 961.

［7］BAKTASH A，VAHEDI A，and MASOUM AS.Improved switching table for direct power control of three-phase PWM rectifier［C］//In Power Engineering Conference，2007.AUPEC 2007. Australasian Universities，pages 1-5.

［8］BOUAFIA A，GAUBERT JP，and KRIM F.Analysis and design of new switching table for direct power control of three-phase PWM rectifier［C］//13 th Power Electronics and Motion Control Conf.EPE-PEMC 2008，703-709.

［9］ELOY GJ and ALVES R.Dsp-based direct power control of a VSC with voltage angle estimation［C］//In Transmission Distribution Conference and Exposition：Latin America，2006.IEEE／PES，pages 1-5.

［10］AKAGI H，KANAZAWA Y，and NABAE A.Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without en ergy storage components［J］.IEEE Trans.Ind.Appl.，1984，20（3）：625-630.

高燃（1988），工程師，從事變電一次檢修及研究工作。

The Direct Power Control Study of Voltage Source Converter in DC Transmission System

GAO Ran，JIA Fengming，HUANG Weimin，CHEN Xudong
（State Grid Anhui Electric Power Maintenance Company，Hefei 230061，China）

Along with the cost reduction and mature technology of the fully controlled power electronic device，the technology of voltage source converter has been applied in the field of DC power transmission.Direct power control（DPC）is attracting widely attention throughout the world because of its merits of simple structure，quick dynamic response，strong robustness against parameter variations and no need of inner current loop tuning work.The voltage source converter based on the direct power control used in DC power transmission field is analyzed，and an effective vector table is proposed which can achieve a better performance compare to the original vector table.Simulation results validate the effectiveness of the proposed vector table.

DC transmission；voltage source converter；direct power control；switching table

TM721.1；TM46

A

1007－9904（2016）10－0025－04

2016-05-22