摘 要：20世紀90年代初，Tokuo Ohnishi提出了一種將瞬時有功功率、無功功率用于PWM變換器閉環控制系統中的新型控制策略，隨后Toshihiko Noguchi等學者進行了研究并取得了進展。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、更低的THD、高效率、算法和系統結構簡單等優點，日益引起國內外學者的關注。本文結合目前已見的有關DPC的文獻，從DPC的具體實現方法與其實際應用場合兩個大的方面對電力電子裝置中應用的DPC策略進行了分類和介紹，最后對目前應用的DPC策略進行了概括和總結。
1.引言
隨著電力電子技術的不斷發展，越來越多的電力電子裝置被廣泛的應用于能源、工業、信息、家電消費品等領域。電力電子裝置的控制是電力電子裝置應用的核心與關鍵問題，多年以來，一直是工業界和學術界的研究熱點。
電力電子裝置控制技術的研究一直貫穿于電力電子技術的發展中，1983年，Hirofumi Akagi提出了著名的瞬時功率理論(pq理論)[1][2]，為新的電力電子裝置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I.Takahashi教授和德國魯爾大學的M.Depenbrock教授分別提出了圓形直接轉矩控制方案[3]和六邊形直接轉矩控制方案[4]。1991年，Tokuo Ohnishi結合瞬時功率理論和直接轉矩控制的思想提出了直接功率控制(DPC)策略[5][6]，它將瞬時有功功率、無功功率用于PWM變換器閉環控制系統中。自此以后，直接功率控制理論被不斷的發展，應用于各種電力電子裝置與各種應用環境中。
2.基于瞬時功率理論的電壓型PWM整流器DPC 原理
2.1 DPC的理論基礎-瞬時功率理論[1][2]
傳統理論中的有功功率、無功功率等都是在平均值基礎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。瞬時功率理論是以定義瞬時有功功率p和瞬時無功功率q為理論基礎的。
設三相電路各相電壓和電流的瞬時值分別為ua、ub、uc和ia、ib、ic，經過坐標變換到αβ靜止坐標系下，如圖1所示。可以得到兩相靜止坐標系下的電壓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。電壓電流兩個矢量的夾角為?。
定義三相電路的瞬時有功電流id和瞬時無功電流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有功電流id和瞬時無功電流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 整流器拓撲結構及DPC數學模型
[5][6][7]
兩電平PWM整流器的拓撲如圖2所示。圖中ua、ub、uc為三相對稱電源相電壓;ia、ib、ic為三相線電流;Sa、Sb、Sc為整流器的開關函數，Sj 定義為單極性二值邏輯開關函數，Sj(j=a、b、c)=Sjp(上橋臂開關導通，下橋臂開關關斷)，Sj=Sjn(下橋臂開關導通，上橋臂開關關斷);Udc為直流電壓;Rs、Ls為濾波電抗器的電阻和電感;C為直流側電容;RL為負載;Ura、Urb、Urc為整流器的輸入相電壓;iL為負載電流,ip和in分別為流入p點和n點的電流，ic為流過直流側電容的電流。
圖2 兩電平電壓型PWM整流器主電路拓撲等效圖
將圖2中三相整流器各量經過變換(abc-dq)變換到dq 兩相同步旋轉坐標系中，可得整流器的數學模型為：
式中 Sd、Sq分別為開關函數在d、q 軸上的分量。根據式(5)及三相對稱系統功率計算，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學模型：
3. DPC的研究點分類
如圖3所示為電壓型PWM變換器DPC系統結構示意圖，從圖中可以看出，控制系統可以分為三大子模塊，分別為瞬時功率求解模塊，電壓外環模塊和功率內環模塊，在瞬時功率的求解模塊中，主要的研究點為瞬時功率的計算或估算方法;在功率內環模塊中，傳統的DPC控制策略的主要研究點是根據控制的需要修正或改進DPC矢量選擇表格，同時也有學者根據DPC控制開關頻率不固定的特點，提出了各種穩定開關頻率的DPC控制方案;在電壓外環的研究中，主要的研究點為外環控制器的設計，除了傳統的PI控制器以外，目前應用的還有滑模變控制器、模糊控制器等等。
另一方面，針對不同拓撲結構DPC控制也是一個研究熱點，目前有學者將DPC控制推廣到NPC三電平拓撲中，獲得了較好的控制效果。與此同時，學者們將DPC控制從PWM整流器推廣到各種控制領域，如各種電機、HVDC、SVG、APF及各種儲能系統。
4.DPC系統瞬時功率求解模塊的具體實現方案
前文已經介紹過，DPC策略的理論基礎是瞬時功率理論，在實際應用中，根據交流側有無電壓互感器(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功率求解方案：
4.1 有電壓互感器的瞬時功率實時計算法[5][7]
交流側有三相電壓互感器時，一般都采用實時計算法來計算瞬時功率，瞬時功率的在αβ和abc坐標系下的計算公式如式(3)和式(4)所示，將其轉換到dq坐標系下，可以得到瞬時功率在dq坐標系下的表達式如下：
4.2 無電壓互感器的瞬時功率實時估計法[6]
在一些實際系統中，如果三相電壓較為穩定，或者對系統的性能要求不是十分嚴格，為了減少硬件成本，有時也省略電壓互感器。此時，瞬時功率的估算如下：
根據圖2和基爾霍夫定律，可以得到如下等式：
4.3 無電壓互感器的瞬時功率虛擬磁鏈估算法[8][9][10] [11]
除了根據4.2的方法進行瞬時功率計算外，有學者提出采用虛擬磁鏈的方法進行瞬時功率的計算。
虛擬磁鏈的概念是由虛擬電機所引出的，可將電網側電源(圖2中虛線框部分)看作一個虛擬的交流“電機”。其中Rs和Ls可分別視為虛擬電機的定子電阻與電感，認為線電壓uab、ubc和uca是由虛擬磁鏈所感應產生的，滿足：
其中Ψs 為產生電網電壓的虛擬磁鏈空間矢量。
對于兩電平變流器，根據變流器交流側電壓方程us=ur+uLs(這里忽略電阻Rs)。其中，us、ur、uL分別為電網線電壓矢量、變流器交流側電壓矢量和電感Ls上的電壓矢量。通過檢測直流電壓和開關函數可以得到變流器虛擬磁鏈分別如式(13)式(14)所示：
各矢量關系在ab、dq坐標系下的關系如下圖4所示，圖中，三相電網電壓合成矢量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,與α軸夾角為γΨs. Ψsα、Ψsβ分別為變流器虛擬磁鏈矢量Ψs在兩相靜止坐標系中的分量，is為電流矢量。
5.DPC控制功率內環解決方案
功率內環的模塊是DPC系統中十分重要的一個模塊，目前主要以下兩大類實現方法：
5.1 傳統功率內環滯環控制系統-不定頻系統[5][6][7]
功率內環滯環控制是由Tokuo Ohnishi最早提出的DPC內環方案，這種方案通過滯環控制選擇開關狀態來控制實時功率。滯環選擇開關狀態的理論基礎如(6)式所示。圖5所示為有電壓互感器的PWM整流器滯環DPC系統，該系統的功率內環采用的就是滯環控制。瞬時功率p和q與給定的p*和q*比較后的差值信號送入功率滯環比較器得到Sp、Sq開關信號;p*由直流電壓外環PI調節器的輸出(代表電流)與直流電壓的乘積設定，q*設定為0，以實現單位功率因數。根據Sp、Sq、θn在開關表中選擇所需的Sa、Sb、Sc，去驅動主電路開關管。圖中略去了電阻Rs。
功率內環滯環控制系統的開關表是內環控制系統的關鍵，這個開關表由三個變量Sp、Sq、θn來共同確定，θn為參考電壓矢量所在的扇區，具體劃分如下圖所示：
從上面的公式可以看出，Sp(q)=1時，實際瞬時功率大于給定瞬時功率，瞬時功率需增加，Sp(q)=0時，實際瞬時功率小于給定瞬時功率，瞬時功率需減小。若忽略Rs對系統的影響，同時在控制時保持系統的無功q為零，可以將(6)式簡化為：
根據(22)式可以確定具體的DPC開關矢量表，表1給出的就是傳統的DPC開關矢量表(Toshihiko Noguchi等人提出的)。
以上介紹的是最基本的功率內環滯環控制系統的基本原理，近年來，許多學者針對該原理的種種不足，提出了各種改進方案：如[12]中提出的設置扇形死區邊界的DPC控制方案;[13]中提出的有功無功表格分開的DPC控制方案;[14]中提出的根據視在功率(論文中稱為復功率)的改變來選擇開關狀態的DPC控制方案;[15] 、[16]中提出的Sp、Sq三狀態表格DPC控制方案;[17]中提出的選擇非最近矢量(對功率影響最大的矢量)構成開關表格的DPC控制方案等，它們基本上都是對表1進行不同程度的改進，其本質仍然是功率的滯環控制，這里就不一一細數了。
5.2 DPC-SVM控制系統-定頻控制[18][19][20][21][22]
功率內環滯環DPC 控制算法簡單、動態響應更好等優點，但是，它同時也存在開關頻率不固定的缺點，不利于濾波器的優化設計;而且，功率內環滯環DPC 控制要達到比較好的控制效果，需要較高的采樣頻率，這就對控制器和A/D 轉換器提出了更高的要求。這些問題給傳統DPC 控制的應用帶來了很多困難。
據此，有學者提出了基于空間電壓矢量SVM
的固定開關頻率PWM變換器DPC控制(DPC-SVM)策略。
根據公式(24)，可是將功率內環采用PI控制器進行控制，這樣就避免了采用滯環控制帶來的開關頻率不固定的問題。
考慮到式(24)中的耦合項，為了提高功率內環的抗擾性，可以采用前饋解耦控制策略。具體的功率內環控制方程為：
功率內環解耦控制框圖如圖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內環控制策略，文獻[22][23]中用SPWM算法代替圖8中的SVM算法實現了DPC系統的功率內環定頻控制;文獻[24]中在兩相靜止坐標系下采用PR控制器代替圖7中的PI控制器實現DPC系統的功率內環定頻控制;文獻[25]在兩相靜止坐標系下采用實時估計輸出電壓的方法實現功率內環定頻控制;文獻[26]、[27]采用預測控制技術實現DPC系統的功率內環定頻控制;文獻[28]采用神經元控制技術實現DPC系統的功率內環定頻控制;文獻[29]采用功率內環雙PI和電流無差拍控制實現DPC系統內環定頻控制，這里也不一一詳述。
6.DPC系統電壓外環解決方案[7][11][12][13][30][31][32]
當不考慮橋路開關損失，系統工作于穩態且處于單位功率因數整流狀態，根據式(5)可得瞬時有功功率為：
根據式(26)和(27)可以設計DPC系統的PI控制器，具體如圖8所示。
認真研究圖8中的電壓外環解決方案不難發現，瞬時有功功率的變化受直流電壓和有功電流的雙重影響，為了提高傳統解決方案的魯棒性，可以對DPC的電壓外環的PI控制器設計方案進行改進，式(26)可以變為：
以上介紹了DPC電壓外環的PI控制器設計方案，近年來，隨著新型控制理論的提出，有學者將新型控制理論應用于DPC的電壓外環控制中，取得了不錯的控制效果。文獻[33][34]中引入了滑模變結構實現DPC
系統的電壓外環控制;文獻[35][36]引入了模糊控制實現DPC系統的直流電壓外環，這里也不一一詳述。
7.DPC控制應用拓撲及應用領域的推廣
隨著對DPC策略研究的不斷深入，DPC控制策略不斷被應用于各種拓撲與應用環境中， 本文試對其進行歸納總結。
在應用拓撲方面，DPC策略最早被應用于兩電平變換器拓撲中，隨著該理論的不斷完善，DPC策略已經被應用于各種多電平拓撲[37][38][39]和背靠背拓撲[23]中，取得了很好的控制效果。
在應用領域方面，DPC策略最早應用于PWM變換器中，之后被逐漸應用于各種電機控制領域[14][19][36][40]、超導儲能領域[16][17]、直流輸電領域[21][23][41]、有源電力濾波器[42][47]、車載電源[43]和各種無功補償裝置[44][45][47]，實現實時功率的快速、精確控制。在傳統的PMW變換器DPC控制中，電網電壓不平衡等條件下的DPC策略也日趨完善[14][22][48][49]。
8 結論
本文介紹了目前應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用情況，本文主要分兩個大方面來進行概括和總結：
(1)DPC策略的組成部分與研究進展：本文將DPC策略分為瞬時功率求解模塊，電壓外環模塊和功率內環模塊三個子模塊，分別介紹了各個模塊的已有實現方法和相互關系，總的來說，功率內環模塊是DPC策略的精髓，也是目前DPC策略的最主要研究點，各國學者在此投入了大量的精力，對功率內環的滯環控制和定頻控制兩種實現方式進行了多角度多層面的分析與研究;在瞬時功率求解模塊中，主要研究點是無電壓傳感器的瞬時功率估計;在電壓外環模塊中，主要是研究點是應用新型控制理論，取代傳統的PI控制器。
(2)DPC策略應用拓撲與應用領域：DPC策略最早并應用于兩電平PWM整流器中，近年來，它的應用拓撲與應用領域不斷拓寬。在應用拓撲方面，目前DPC策略已經應用于雙PWM變換器、三電平變換器、模塊化多電平變換器等不同拓撲中，在應用領域方面，DPC策略已經應用于電機控制、超導儲能、直流輸電、有源電力濾波器、車載電源和無功補償裝置等領域的各種電力電子裝置，實現了電壓與功率的快速精確控制。
參考文獻
[1] Akagi H, Kanazawa Y, Nabae A. Instantaneous reactive power compensators comprising switching devices without energy storage components [J]. IEEE Transactions on Industry Applications , 1984, 20(3): 625-630.
[2] Peng FZ, Lai JS. Generalized instantaneous reactive power theory for three-phase power systems [J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 1996, 45(1):293-297
[3] Takahashi I, Noguchi T A new quick-response and high-efficiency control strategy of an induction motor [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1986, 22(5): 820–827
[4] Depenbrock M. Direct self-control (DSC) of inverter-fed induction machine [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 1988, 3(4) : 420–429
[5] Ohnishi T. Three phase PWM converter/inverter by means of instantaneous active and reactive power control [C]. International Conference on Industrial Electrlnics, Control and Instrumentation, 1991: 819-824.
[6] Noguchi T, Tomiki H, Kondo S, et al.Direct power control of pwm converter without power- source voltage sensors [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1998, 34(3): 473-479.
[7] 王久和, 李華德, 王立明. 電壓型PWM整流器直接功率控制系統[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(18):54-60
[8] Malinowski M, Kazmierkowski MP, Trzynadlowski A. Direct Power Control with virtual flux estimation for three-phase PWM rectifiers [C]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2000: 442–447
[9] Malinowski M, Kazmierkowski MP, Hansen S, et al. Virtual flux based direct power control of three-phase PWM rectifiers [J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37(4): 1019-1027
[10] 趙仁德，賀益康.無電網電壓傳感器三相PWM 整流器虛擬電網磁鏈定向矢量控制研究[J].中國電機工程學報，2005，25(20)： 56-61
[11] 何致遠,韋巍. 基于虛擬磁鏈的PWM整流器直接功率控制研究[J]. 浙江大學學報(工學版), 2004, 38(12): 1619-1623
[12] 王久和, 李華德, 楊立永.設置扇形邊界死區的電壓型PWM整流器直接功率控制[J].北京科技大學學報，2005,27(3):380-384
[13] 王久和,李華德. 一種新的電壓型PWM整流器直接功率控制策略[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(16):47-52
[14] 郭曉明, 賀益康, 何奔騰, 等. DFIG風電機組網側變換器的復開關表直接功率控制[J].電力系統自動化，2007，31 (21)：67-71
[15] 徐小品，黃進，楊家強.瞬時功率控制在三相PWM 整流中的應用[J].電力電子技術，2004，38(2)：30-44.
[16] 王屹, 楊燁, 趙勇. 基于新型開關表的超導儲能系統直接功率控制[J]. 低溫物理學報，2011，33(2)：131-137
[17] 郭文勇，趙彩宏，張志豐，等. 電壓型超導儲能系統的統一直接功率控制方法[J]. 電網技術，2007, 31(9): 58-64
[18] 接峰， 黃進.三相PWM 整流器直接功率控制的新調制方法[J]. 電力電子技術，2006，40(4)：9-13.
[19] 郭曉明, 賀益康, 何奔騰.雙饋異步風力發電機開關頻率恒定的直接功率控制[J]. 電力系統自動化，2008，32 (1)：61-65
[20] 孫麗芹，廖曉鐘. PWM 整流器的定頻直接功率控制[J].電氣傳動，2006，36(7): 39-43
[21] 邱大強,李群湛,馬慶安，等. 基于直接功率控制的VSC - HVDC系統換流控制器設計[J]. 高電壓技術，2010，36(10)：2600-2607
[22] Hadian Amrei SR, 徐殿國, 郎永強. 一種PWM整流器直接功率控制方法[J]. 中國電機工程學報, 2007, 27(25): 78-84
[23] 王國強,王志新,張華強,等.基于DPC的海上風場VSC-HVDC變流器控制策略[J].電力自動化設備，2011，31(7)：115-120
[24] 李子欣，李耀華，王平，等. PWM 整流器在靜止坐標系下的準直接功率控制[J]. 中國電機工程學報, 2010,37(9): 47-55
[25] 楊興武，趙劍飛，楊興華，等.基于變換器輸出電壓快速計算的直接功率控制方法[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(36): 59-65
[26] 楊興武，姜建國.電壓型PWM 整流器預測直接功率控制[J]. 中國電機工程學報, 2011,31(3): 34-40
[27] 尚磊，孫丹，胡家兵，等. 三相電壓型并網逆變器預測直接功率控制[J]. 電工技術學報，2011，26(7)：216-224
[28] 肖永濤，朱理. 基于神經元控制的SVPWM整流器直接功率控制[J]. 電力電子技術，2011，45 (1)：68-71
[29] 楊達亮,盧子廣,杭乃善,等.三相電壓型PWM整流器準定頻直接功率控制[J]. 中國電機工程學報, 2011, 31(27): 66-74
[30] Ye Y, Kazerani M, Quintana VH. Modeling, control and implementation of three-phase PWM converters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003,18(3):857-864
[31] Ye Y, Kazerani M, Quintana VH. A novel modeling and control method for three-phase PWM converters [C]. IEEE 32nd Annual Power Electronics Specialists Conference , 2001: 102-107.
[32] 尚磊, 孫丹, 胡家兵, 等. 三相電壓型并網逆變器滑模變結構直接功率控制[J]. 電力自動化設備，2010，34 (14)：79-84
[33] 汪萬偉, 尹華杰, 管霖. 三相電壓型PWM整流器滑模變結構直接功率控制[J]. 華南理工大學學報(自然科學版), 2009, 37(11):83-89
[34] Bouafia A, Krim F, Gaubert JP. Direct power control of three-phase PWM rectifier based on fuzzy logic controller [C]. IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2008 : 323 - 328
[35] 黃正,年曉紅,鄧明, 等. 基于模糊控制的直接功率控制在雙饋風力發電系統中的應用[J].大功率變流技術, 2009,5:27-32
[36] 王國強, 王志新, 李爽. 模塊化多電平變流器的直接功率控制仿真研究[J]. 中國電機工程學報, 2012, 32(6): 64-72
[37] 張穎超, 趙爭鳴， 袁立強，等. 三電平PWM整流器直接功率控制[J].電工技術學報，2008，23 (5)：62-68
[38] 張穎超，趙爭鳴，魯挺, 等.固定開關頻率三電平PWM整流器直接功率控制[J].電工技術學報，2008，23 (6)：72-77
[39] 張俊峰,毛承雄, 陸繼明,等. 雙饋感應發電機的直接功率控制策略[J]. 電力自動化設備，2006, 26(4): 31-35
[40] 邱大強, 李群湛, 南曉強. 電網不對稱故障下VSC-HVDC系統的直接功率控制[J].高電壓技術, 2012, 38(4) :1012-1019
[41] Chen BS, Joos G. Direct Power Control of Active Filters With Averaged Switching Frequency Regulation [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2008, 23(6): 2729- 2737
[42] 盧子廣, 伍健, 唐偉杰, 等. 42V汽車異步發電系統直接功率控制實驗研究[J].微電機，2009，42(11):10-12
[43] 張倩倩,許彥,李新宇,等. STATCOM的定頻直接功率控制技術[J]. 電測與儀表，2009，46(527)：28-33
[44] 尹慧.基于直接功率控制的STATCOM控制系統[J]. 實驗室研究與探索，2010，29(8)：186-190
[45] 曹凱, 姜建國, 楊興武，等. 帶有虛擬磁鏈估算補償的STATCOM定頻直接功率控制[J]. 電測與儀表，2010，47 (537)：46-51
[46] 李慧，王奔，李虎威，等.有源電力濾波器雙開關表直接功率控制策略研究[J]. 電氣傳動，2011，41(5)：20-24
[47] 耿強, 夏長亮, 閻彥, 等. 電網電壓不平衡情況下PWM整流器恒頻直接功率控制[J]. 中國電機工程學報, 2010, 30(36): 79-86
[48] Suh Y,Lipo TA. Modeling and analysis of instantaneous active and reactive power for PWM AD/DC converter under generalized unbalanced network [J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2006, 21(3)：1530-1540.
作者簡介：
李寧(1983-)，男，遼寧丹東人，博士研究生，主要研究方向為電力電子裝置的控制策略研究
