摘 要：20世紀(jì)90年代初，Tokuo Ohnishi提出了一種將瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率用于PWM變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)中的新型控制策略，隨后Toshihiko Noguchi等學(xué)者進(jìn)行了研究并取得了進(jìn)展。這種被稱為直接功率控制(Direct Power Control, DPC) 的控制策略與通常的電流控制策略相比，具有更高的功率因數(shù)、更低的THD、高效率、算法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，日益引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。本文結(jié)合目前已見(jiàn)的有關(guān)DPC的文獻(xiàn)，從DPC的具體實(shí)現(xiàn)方法與其實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合兩個(gè)大的方面對(duì)電力電子裝置中應(yīng)用的DPC策略進(jìn)行了分類和介紹，最后對(duì)目前應(yīng)用的DPC策略進(jìn)行了概括和總結(jié)。
1.引言
隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的電力電子裝置被廣泛的應(yīng)用于能源、工業(yè)、信息、家電消費(fèi)品等領(lǐng)域。電力電子裝置的控制是電力電子裝置應(yīng)用的核心與關(guān)鍵問(wèn)題，多年以來(lái)，一直是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。
電力電子裝置控制技術(shù)的研究一直貫穿于電力電子技術(shù)的發(fā)展中，1983年，Hirofumi Akagi提出了著名的瞬時(shí)功率理論(pq理論)[1][2]，為新的電力電子裝置控制策略的產(chǎn)生提供了重要理論基礎(chǔ)，20 世紀(jì)80 年代中期，日本的I.Takahashi教授和德國(guó)魯爾大學(xué)的M.Depenbrock教授分別提出了圓形直接轉(zhuǎn)矩控制方案[3]和六邊形直接轉(zhuǎn)矩控制方案[4]。1991年，Tokuo Ohnishi結(jié)合瞬時(shí)功率理論和直接轉(zhuǎn)矩控制的思想提出了直接功率控制(DPC)策略[5][6]，它將瞬時(shí)有功功率、無(wú)功功率用于PWM變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)中。自此以后，直接功率控制理論被不斷的發(fā)展，應(yīng)用于各種電力電子裝置與各種應(yīng)用環(huán)境中。
2.基于瞬時(shí)功率理論的電壓型PWM整流器DPC 原理
2.1 DPC的理論基礎(chǔ)-瞬時(shí)功率理論[1][2]
傳統(tǒng)理論中的有功功率、無(wú)功功率等都是在平均值基礎(chǔ)上或向量的意義上定義的，它們只適用于電壓、電流均為正弦波的情況。瞬時(shí)功率理論是以定義瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q為理論基礎(chǔ)的。
設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為ua、ub、uc和ia、ib、ic，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換到αβ靜止坐標(biāo)系下，如圖1所示。可以得到兩相靜止坐標(biāo)系下的電壓uα、uβ和電流iα，iβ分別為電壓矢量U和電流矢量I在αβ軸上的投影。電壓電流兩個(gè)矢量的夾角為?。
定義三相電路的瞬時(shí)有功電流id和瞬時(shí)無(wú)功電流iq分別為電流矢量I在電壓矢量U及在其法線上的投影，即:
定義三相電路的瞬時(shí)有功電流id和瞬時(shí)無(wú)功電流iq分別為電流矢量I在電壓矢量U及在其法線上的投影，即:
2.2兩電平PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及DPC數(shù)學(xué)模型
[5][6][7]
兩電平PWM整流器的拓?fù)淙鐖D2所示。圖中ua、ub、uc為三相對(duì)稱電源相電壓;ia、ib、ic為三相線電流;Sa、Sb、Sc為整流器的開(kāi)關(guān)函數(shù)，Sj 定義為單極性二值邏輯開(kāi)關(guān)函數(shù)，Sj(j=a、b、c)=Sjp(上橋臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，下橋臂開(kāi)關(guān)關(guān)斷)，Sj=Sjn(下橋臂開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，上橋臂開(kāi)關(guān)關(guān)斷);Udc為直流電壓;Rs、Ls為濾波電抗器的電阻和電感;C為直流側(cè)電容;RL為負(fù)載;Ura、Urb、Urc為整流器的輸入相電壓;iL為負(fù)載電流,ip和in分別為流入p點(diǎn)和n點(diǎn)的電流，ic為流過(guò)直流側(cè)電容的電流。
圖2 兩電平電壓型PWM整流器主電路拓?fù)涞刃D
將圖2中三相整流器各量經(jīng)過(guò)變換(abc-dq)變換到dq 兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，可得整流器的數(shù)學(xué)模型為：
式中 Sd、Sq分別為開(kāi)關(guān)函數(shù)在d、q 軸上的分量。根據(jù)式(5)及三相對(duì)稱系統(tǒng)功率計(jì)算，3dpUi=，3qqUi=− (U為電源相電壓有效值)可得以p、q為變量的功率控制數(shù)學(xué)模型：
3. DPC的研究點(diǎn)分類
如圖3所示為電壓型PWM變換器DPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以看出，控制系統(tǒng)可以分為三大子模塊，分別為瞬時(shí)功率求解模塊，電壓外環(huán)模塊和功率內(nèi)環(huán)模塊，在瞬時(shí)功率的求解模塊中，主要的研究點(diǎn)為瞬時(shí)功率的計(jì)算或估算方法;在功率內(nèi)環(huán)模塊中，傳統(tǒng)的DPC控制策略的主要研究點(diǎn)是根據(jù)控制的需要修正或改進(jìn)DPC矢量選擇表格，同時(shí)也有學(xué)者根據(jù)DPC控制開(kāi)關(guān)頻率不固定的特點(diǎn)，提出了各種穩(wěn)定開(kāi)關(guān)頻率的DPC控制方案;在電壓外環(huán)的研究中，主要的研究點(diǎn)為外環(huán)控制器的設(shè)計(jì)，除了傳統(tǒng)的PI控制器以外，目前應(yīng)用的還有滑模變控制器、模糊控制器等等。
另一方面，針對(duì)不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)DPC控制也是一個(gè)研究熱點(diǎn)，目前有學(xué)者將DPC控制推廣到NPC三電平拓?fù)渲?，獲得了較好的控制效果。與此同時(shí)，學(xué)者們將DPC控制從PWM整流器推廣到各種控制領(lǐng)域，如各種電機(jī)、HVDC、SVG、APF及各種儲(chǔ)能系統(tǒng)。
4.DPC系統(tǒng)瞬時(shí)功率求解模塊的具體實(shí)現(xiàn)方案
前文已經(jīng)介紹過(guò)，DPC策略的理論基礎(chǔ)是瞬時(shí)功率理論，在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)交流側(cè)有無(wú)電壓互感器(電流互感器在較為精確的控制中一般都要有)，可以有如下三種瞬時(shí)功率求解方案：
4.1 有電壓互感器的瞬時(shí)功率實(shí)時(shí)計(jì)算法[5][7]
交流側(cè)有三相電壓互感器時(shí)，一般都采用實(shí)時(shí)計(jì)算法來(lái)計(jì)算瞬時(shí)功率，瞬時(shí)功率的在αβ和abc坐標(biāo)系下的計(jì)算公式如式(3)和式(4)所示，將其轉(zhuǎn)換到dq坐標(biāo)系下，可以得到瞬時(shí)功率在dq坐標(biāo)系下的表達(dá)式如下：
4.2 無(wú)電壓互感器的瞬時(shí)功率實(shí)時(shí)估計(jì)法[6]
在一些實(shí)際系統(tǒng)中，如果三相電壓較為穩(wěn)定，或者對(duì)系統(tǒng)的性能要求不是十分嚴(yán)格，為了減少硬件成本，有時(shí)也省略電壓互感器。此時(shí)，瞬時(shí)功率的估算如下：
根據(jù)圖2和基爾霍夫定律，可以得到如下等式：
4.3 無(wú)電壓互感器的瞬時(shí)功率虛擬磁鏈估算法[8][9][10] [11]
除了根據(jù)4.2的方法進(jìn)行瞬時(shí)功率計(jì)算外，有學(xué)者提出采用虛擬磁鏈的方法進(jìn)行瞬時(shí)功率的計(jì)算。
虛擬磁鏈的概念是由虛擬電機(jī)所引出的，可將電網(wǎng)側(cè)電源(圖2中虛線框部分)看作一個(gè)虛擬的交流“電機(jī)”。其中Rs和Ls可分別視為虛擬電機(jī)的定子電阻與電感，認(rèn)為線電壓uab、ubc和uca是由虛擬磁鏈所感應(yīng)產(chǎn)生的，滿足：
其中Ψs 為產(chǎn)生電網(wǎng)電壓的虛擬磁鏈空間矢量。
對(duì)于兩電平變流器，根據(jù)變流器交流側(cè)電壓方程us=ur+uLs(這里忽略電阻Rs)。其中，us、ur、uL分別為電網(wǎng)線電壓矢量、變流器交流側(cè)電壓矢量和電感Ls上的電壓矢量。通過(guò)檢測(cè)直流電壓和開(kāi)關(guān)函數(shù)可以得到變流器虛擬磁鏈分別如式(13)式(14)所示：
各矢量關(guān)系在ab、dq坐標(biāo)系下的關(guān)系如下圖4所示，圖中，三相電網(wǎng)電壓合成矢量us 超前于虛擬磁鏈合成矢量Ψs, d軸與Ψs重合,以同步角速度ω旋轉(zhuǎn),與α軸夾角為γΨs. Ψsα、Ψsβ分別為變流器虛擬磁鏈?zhǔn)噶?amp;Psi;s在兩相靜止坐標(biāo)系中的分量，is為電流矢量。
5.DPC控制功率內(nèi)環(huán)解決方案
功率內(nèi)環(huán)的模塊是DPC系統(tǒng)中十分重要的一個(gè)模塊，目前主要以下兩大類實(shí)現(xiàn)方法：
5.1 傳統(tǒng)功率內(nèi)環(huán)滯環(huán)控制系統(tǒng)-不定頻系統(tǒng)[5][6][7]
功率內(nèi)環(huán)滯環(huán)控制是由Tokuo Ohnishi最早提出的DPC內(nèi)環(huán)方案，這種方案通過(guò)滯環(huán)控制選擇開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)控制實(shí)時(shí)功率。滯環(huán)選擇開(kāi)關(guān)狀態(tài)的理論基礎(chǔ)如(6)式所示。圖5所示為有電壓互感器的PWM整流器滯環(huán)DPC系統(tǒng)，該系統(tǒng)的功率內(nèi)環(huán)采用的就是滯環(huán)控制。瞬時(shí)功率p和q與給定的p*和q*比較后的差值信號(hào)送入功率滯環(huán)比較器得到Sp、Sq開(kāi)關(guān)信號(hào);p*由直流電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出(代表電流)與直流電壓的乘積設(shè)定，q*設(shè)定為0，以實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。根據(jù)Sp、Sq、θn在開(kāi)關(guān)表中選擇所需的Sa、Sb、Sc，去驅(qū)動(dòng)主電路開(kāi)關(guān)管。圖中略去了電阻Rs。
功率內(nèi)環(huán)滯環(huán)控制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)表是內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，這個(gè)開(kāi)關(guān)表由三個(gè)變量Sp、Sq、θn來(lái)共同確定，θn為參考電壓矢量所在的扇區(qū)，具體劃分如下圖所示：
從上面的公式可以看出，Sp(q)=1時(shí)，實(shí)際瞬時(shí)功率大于給定瞬時(shí)功率，瞬時(shí)功率需增加，Sp(q)=0時(shí)，實(shí)際瞬時(shí)功率小于給定瞬時(shí)功率，瞬時(shí)功率需減小。若忽略Rs對(duì)系統(tǒng)的影響，同時(shí)在控制時(shí)保持系統(tǒng)的無(wú)功q為零，可以將(6)式簡(jiǎn)化為：
根據(jù)(22)式可以確定具體的DPC開(kāi)關(guān)矢量表，表1給出的就是傳統(tǒng)的DPC開(kāi)關(guān)矢量表(Toshihiko Noguchi等人提出的)。
以上介紹的是最基本的功率內(nèi)環(huán)滯環(huán)控制系統(tǒng)的基本原理，近年來(lái)，許多學(xué)者針對(duì)該原理的種種不足，提出了各種改進(jìn)方案：如[12]中提出的設(shè)置扇形死區(qū)邊界的DPC控制方案;[13]中提出的有功無(wú)功表格分開(kāi)的DPC控制方案;[14]中提出的根據(jù)視在功率(論文中稱為復(fù)功率)的改變來(lái)選擇開(kāi)關(guān)狀態(tài)的DPC控制方案;[15] 、[16]中提出的Sp、Sq三狀態(tài)表格DPC控制方案;[17]中提出的選擇非最近矢量(對(duì)功率影響最大的矢量)構(gòu)成開(kāi)關(guān)表格的DPC控制方案等，它們基本上都是對(duì)表1進(jìn)行不同程度的改進(jìn)，其本質(zhì)仍然是功率的滯環(huán)控制，這里就不一一細(xì)數(shù)了。
5.2 DPC-SVM控制系統(tǒng)-定頻控制[18][19][20][21][22]
功率內(nèi)環(huán)滯環(huán)DPC 控制算法簡(jiǎn)單、動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好等優(yōu)點(diǎn)，但是，它同時(shí)也存在開(kāi)關(guān)頻率不固定的缺點(diǎn)，不利于濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì);而且，功率內(nèi)環(huán)滯環(huán)DPC 控制要達(dá)到比較好的控制效果，需要較高的采樣頻率，這就對(duì)控制器和A/D 轉(zhuǎn)換器提出了更高的要求。這些問(wèn)題給傳統(tǒng)DPC 控制的應(yīng)用帶來(lái)了很多困難。
據(jù)此，有學(xué)者提出了基于空間電壓矢量SVM
的固定開(kāi)關(guān)頻率PWM變換器DPC控制(DPC-SVM)策略。
根據(jù)公式(24)，可是將功率內(nèi)環(huán)采用PI控制器進(jìn)行控制，這樣就避免了采用滯環(huán)控制帶來(lái)的開(kāi)關(guān)頻率不固定的問(wèn)題。
考慮到式(24)中的耦合項(xiàng)，為了提高功率內(nèi)環(huán)的抗擾性，可以采用前饋解耦控制策略。具體的功率內(nèi)環(huán)控制方程為：
功率內(nèi)環(huán)解耦控制框圖如圖7所示。圖8為DPC-SVM的原理框圖。
圖8兩電平PWM 整流器DPC-SVM 原理框圖
以上介紹的是基本的DPC-SVM定頻控制策略，這是目前應(yīng)用最為廣泛的定頻控制策略，除此之外，尚存在多種定頻DPC內(nèi)環(huán)控制策略，文獻(xiàn)[22][23]中用SPWM算法代替圖8中的SVM算法實(shí)現(xiàn)了DPC系統(tǒng)的功率內(nèi)環(huán)定頻控制;文獻(xiàn)[24]中在兩相靜止坐標(biāo)系下采用PR控制器代替圖7中的PI控制器實(shí)現(xiàn)DPC系統(tǒng)的功率內(nèi)環(huán)定頻控制;文獻(xiàn)[25]在兩相靜止坐標(biāo)系下采用實(shí)時(shí)估計(jì)輸出電壓的方法實(shí)現(xiàn)功率內(nèi)環(huán)定頻控制;文獻(xiàn)[26]、[27]采用預(yù)測(cè)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)DPC系統(tǒng)的功率內(nèi)環(huán)定頻控制;文獻(xiàn)[28]采用神經(jīng)元控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)DPC系統(tǒng)的功率內(nèi)環(huán)定頻控制;文獻(xiàn)[29]采用功率內(nèi)環(huán)雙PI和電流無(wú)差拍控制實(shí)現(xiàn)DPC系統(tǒng)內(nèi)環(huán)定頻控制，這里也不一一詳述。
6.DPC系統(tǒng)電壓外環(huán)解決方案[7][11][12][13][30][31][32]
當(dāng)不考慮橋路開(kāi)關(guān)損失，系統(tǒng)工作于穩(wěn)態(tài)且處于單位功率因數(shù)整流狀態(tài)，根據(jù)式(5)可得瞬時(shí)有功功率為：
根據(jù)式(26)和(27)可以設(shè)計(jì)DPC系統(tǒng)的PI控制器，具體如圖8所示。
認(rèn)真研究圖8中的電壓外環(huán)解決方案不難發(fā)現(xiàn)，瞬時(shí)有功功率的變化受直流電壓和有功電流的雙重影響，為了提高傳統(tǒng)解決方案的魯棒性，可以對(duì)DPC的電壓外環(huán)的PI控制器設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，式(26)可以變?yōu)椋?/p>
以上介紹了DPC電壓外環(huán)的PI控制器設(shè)計(jì)方案，近年來(lái)，隨著新型控制理論的提出，有學(xué)者將新型控制理論應(yīng)用于DPC的電壓外環(huán)控制中，取得了不錯(cuò)的控制效果。文獻(xiàn)[33][34]中引入了滑模變結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)DPC
系統(tǒng)的電壓外環(huán)控制;文獻(xiàn)[35][36]引入了模糊控制實(shí)現(xiàn)DPC系統(tǒng)的直流電壓外環(huán)，這里也不一一詳述。
7.DPC控制應(yīng)用拓?fù)浼皯?yīng)用領(lǐng)域的推廣
隨著對(duì)DPC策略研究的不斷深入，DPC控制策略不斷被應(yīng)用于各種拓?fù)渑c應(yīng)用環(huán)境中， 本文試對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)。
在應(yīng)用拓?fù)浞矫妫珼PC策略最早被應(yīng)用于兩電平變換器拓?fù)渲?，隨著該理論的不斷完善，DPC策略已經(jīng)被應(yīng)用于各種多電平拓?fù)鋄37][38][39]和背靠背拓?fù)鋄23]中，取得了很好的控制效果。
在應(yīng)用領(lǐng)域方面，DPC策略最早應(yīng)用于PWM變換器中，之后被逐漸應(yīng)用于各種電機(jī)控制領(lǐng)域[14][19][36][40]、超導(dǎo)儲(chǔ)能領(lǐng)域[16][17]、直流輸電領(lǐng)域[21][23][41]、有源電力濾波器[42][47]、車載電源[43]和各種無(wú)功補(bǔ)償裝置[44][45][47]，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)功率的快速、精確控制。在傳統(tǒng)的PMW變換器DPC控制中，電網(wǎng)電壓不平衡等條件下的DPC策略也日趨完善[14][22][48][49]。
8 結(jié)論
本文介紹了目前應(yīng)用比較廣泛的一種控制策略-DPC策略在電力電子裝置中的應(yīng)用情況，本文主要分兩個(gè)大方面來(lái)進(jìn)行概括和總結(jié)：
(1)DPC策略的組成部分與研究進(jìn)展：本文將DPC策略分為瞬時(shí)功率求解模塊，電壓外環(huán)模塊和功率內(nèi)環(huán)模塊三個(gè)子模塊，分別介紹了各個(gè)模塊的已有實(shí)現(xiàn)方法和相互關(guān)系，總的來(lái)說(shuō)，功率內(nèi)環(huán)模塊是DPC策略的精髓，也是目前DPC策略的最主要研究點(diǎn)，各國(guó)學(xué)者在此投入了大量的精力，對(duì)功率內(nèi)環(huán)的滯環(huán)控制和定頻控制兩種實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了多角度多層面的分析與研究;在瞬時(shí)功率求解模塊中，主要研究點(diǎn)是無(wú)電壓傳感器的瞬時(shí)功率估計(jì);在電壓外環(huán)模塊中，主要是研究點(diǎn)是應(yīng)用新型控制理論，取代傳統(tǒng)的PI控制器。
(2)DPC策略應(yīng)用拓?fù)渑c應(yīng)用領(lǐng)域：DPC策略最早并應(yīng)用于兩電平PWM整流器中，近年來(lái)，它的應(yīng)用拓?fù)渑c應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。在應(yīng)用拓?fù)浞矫?，目前DPC策略已經(jīng)應(yīng)用于雙PWM變換器、三電平變換器、模塊化多電平變換器等不同拓?fù)渲校趹?yīng)用領(lǐng)域方面，DPC策略已經(jīng)應(yīng)用于電機(jī)控制、超導(dǎo)儲(chǔ)能、直流輸電、有源電力濾波器、車載電源和無(wú)功補(bǔ)償裝置等領(lǐng)域的各種電力電子裝置，實(shí)現(xiàn)了電壓與功率的快速精確控制。
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作者簡(jiǎn)介：
李寧(1983-)，男，遼寧丹東人，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮友b置的控制策略研究
