基于電流預(yù)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(yīng)快速性，直接電流控制的方式有：滯環(huán)電流控制【1】、固定開關(guān)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(tài)性能。本文提出了基于電流預(yù)測直接控制的方法，控制PWM整流器的開關(guān)，可實現(xiàn)電流的無差拍控制。

2.預(yù)測電流直接控制原理

　　基于數(shù)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(tài)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(guān)周期，而預(yù)測電流直接控制的思想就是要求只經(jīng)過一個PWM開關(guān)周期，使三相VSR實際電流與指令電流相等。

　　從開關(guān)的在線優(yōu)化出發(fā)，控制加到開關(guān)控制器的輸入量，從而控制復(fù)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(guān)周期內(nèi)根據(jù)負載情況和給定的電流矢量變化率，推導(dǎo)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(guān)，實際上是對電流作出預(yù)測性控制。當(dāng)開關(guān)頻率較高時，可實現(xiàn)電流的無差拍控制，提高電流控制的精度和電壓環(huán)響應(yīng)速度。其結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1電流預(yù)測直接控制原理圖

3.基于電流預(yù)測的SVPWM控制策略

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

　　根據(jù)三相VSR的拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)電壓的空間電壓矢量和三相電網(wǎng)電流空間矢量。

　　在忽略線電阻的情況下，為了實現(xiàn)三相VSR的電流預(yù)測控制，設(shè)

為當(dāng)前開關(guān)周期的電流期望矢量，V*為當(dāng)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(wǎng)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(biāo)系下的位置關(guān)系示意圖。

圖2　單位功率因數(shù)下的三相VSR矢量關(guān)系
　　仍按照電壓外環(huán)控制模式，根據(jù)輸出直流電壓的誤差得到系統(tǒng)當(dāng)前期望的有功電流，無功電流期望為0；通過坐標(biāo)變換便可得到

在

坐標(biāo)系下的分量。

則是根據(jù)實際采樣的三相電流進行坐標(biāo)變換得到其在坐標(biāo)系下

的分量。再根據(jù)上圖各個矢量關(guān)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(biāo)系下的分量。

　　　　 (3)
　　在基于電流預(yù)測的SVPWM控制方式中，需要校正的只有直流電壓外環(huán)一個PID調(diào)節(jié)器了，參數(shù)調(diào)節(jié)變得更加方便，系統(tǒng)實現(xiàn)也更加容易。這種控制方式不僅繼承了常規(guī)SVPWM的各種優(yōu)點，而且實現(xiàn)更加簡單，性能更為優(yōu)越。

4.基于電流預(yù)測的SVPWM仿真

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

；電網(wǎng)輸入相電壓有效值為

圖3三相VSR基于預(yù)測電流的SVPWM系統(tǒng)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(cè)輸出電壓波形。
在反電勢為0的前提下，待系統(tǒng)進入穩(wěn)定狀態(tài)；然后在大約第0.5秒鐘時刻，在直流側(cè)加入500V的反電動勢；再次進入穩(wěn)定狀態(tài)后，分別在大約第1秒和1.5秒鐘時刻再將直流側(cè)反電勢值分別改為1500V和2000V。

　
　　仿真結(jié)果對比表明：基于預(yù)測電流的SVPWM模式與滯環(huán)電流控制方式相比，基于預(yù)測電流的SVPWM模式的暫態(tài)調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量都小于滯環(huán)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(yù)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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