基于電流預測的SVPWM控制的研究

1.前 言

　　三相PWM整流器的直接電流控制具有電流響應快速性，直接電流控制的方式有：滯環電流控制【1】、固定開關頻率控制【2】、空間矢量電流控制【3】等。然而由于電流采樣周期及PWM控制延時的存在，使三相交流電流控制存在滯后，這將影響電流跟蹤控制的動態性能。本文提出了基于電流預測直接控制的方法，控制PWM整流器的開關，可實現電流的無差拍控制。

2.預測電流直接控制原理

　　基于數字控制的三相VSR PWM電流控制器，因電流采樣周期及PWM控制延時的存在，使三相VSR交流電流控制存在滯后，這將影響電流跟蹤控制的動態性能。三相VSR PWM控制器，其電流控制的最小延時至少需要一個PWM開關周期，而預測電流直接控制的思想就是要求只經過一個PWM開關周期，使三相VSR實際電流與指令電流相等。

　　從開關的在線優化出發，控制加到開關控制器的輸入量，從而控制復平面里的電流矢量軌跡，使它相對于參考電流矢量保持最小的空間誤差。即在一個開關周期內根據負載情況和給定的電流矢量變化率，推導出使電流誤差矢量趨于零的電壓矢量，去控制PWM整流器的開關，實際上是對電流作出預測性控制。當開關頻率較高時，可實現電流的無差拍控制，提高電流控制的精度和電壓環響應速度。其結構如圖1。

圖1電流預測直接控制原理圖

3.基于電流預測的SVPWM控制策略

　　三相VSR電流預測SVPWM控制是一種電流響應較快的基于電壓矢量合成的PWM電流控制策略，與采用PI調節器生成指令電壓矢量方案不同的是，這種電流預測SVPWM控制的指令電壓矢量采用電流預測算法求得。

　　根據三相VSR的拓撲結構和電壓空間矢量的定V、E、I分別為三相VSR的入端空間電壓矢量、三相電網電壓的空間電壓矢量和三相電網電流空間矢量。

　　在忽略線電阻的情況下，為了實現三相VSR的電流預測控制，設

為當前開關周期的電流期望矢量，V*為當前周期的空間電壓合成期望矢量。則希望滿足：

　　事實上，因為我們希望

在任何時刻總是和電網電壓E保持在相同或者相反的方向上，因此可以作出各個矢量在

坐標系下的位置關系示意圖。

圖2　單位功率因數下的三相VSR矢量關系
　　仍按照電壓外環控制模式，根據輸出直流電壓的誤差得到系統當前期望的有功電流，無功電流期望為0；通過坐標變換便可得到

在

坐標系下的分量。

則是根據實際采樣的三相電流進行坐標變換得到其在坐標系下

的分量。再根據上圖各個矢量關系，不難得到

的矢量。由此便可進一步求出期望的電壓空間矢量V*在

坐標系下的分量。

　　　　 (3)
　　在基于電流預測的SVPWM控制方式中，需要校正的只有直流電壓外環一個PID調節器了，參數調節變得更加方便，系統實現也更加容易。這種控制方式不僅繼承了常規SVPWM的各種優點，而且實現更加簡單，性能更為優越。

4.基于電流預測的SVPWM仿真

　　仿真參數：整流器的容量P=2500kW，直流側輸出電壓Udc=1500V，開關頻率選為f=2k，輸入電感L=0.85mH，直流側電容C=60mF，負載電阻

；電網輸入相電壓有效值為

圖3三相VSR基于預測電流的SVPWM系統仿真
　　各相電壓、電流對稱，以下圖形為A相電壓、電流波形和直流側輸出電壓波形。
在反電勢為0的前提下，待系統進入穩定狀態；然后在大約第0.5秒鐘時刻，在直流側加入500V的反電動勢；再次進入穩定狀態后，分別在大約第1秒和1.5秒鐘時刻再將直流側反電勢值分別改為1500V和2000V。

　
　　仿真結果對比表明：基于預測電流的SVPWM模式與滯環電流控制方式相比，基于預測電流的SVPWM模式的暫態調節時間和超調量都小于滯環電流控制方式，電流跟蹤的快速性更好，而且輸出電壓的諧波也小。 可見，預測電流控制方式是一種非常好的直接電流控制方式。


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