预测电流型三相逆变器的svpwm控制仿真分析

《自动化技术与应用》2020年第39卷第1期

预测电流型三相逆变器的SVPWM控制仿真分析*

周朝霞1,伍诗雨1,张亮2,叶佳卓1

(1.湖南大学电气与信息工程学院，中国长沙410082；

2.湖南黑金时代股份有限公司周源山矿业分公司，湖南郴州423404）

摘

要:针对传统空间矢量脉宽调制（SVPWM）逆变器输出电流纹波较大的问题，提出一种预测电流型三相逆变器的SVPWM控制

策略，建立了三相SVPWM逆变器在αβ坐标系下的数学模型。通过对第k周期时逆变器输出三相电流电压数据实时采集，在线预测出下一个采样周期电流电压并根据预测算法结合空间矢量控制策略得到相应的目标电压矢量，在第k+1周期时就可以合成最优的SVPWM控制信号驱动IGBT功率器件减少逆变器输出电流纹波。最后利用Matlab/Simulink搭建了预测电流型三相逆变器的SVPWM控制的仿真模型。仿真结果表明采用预测电流型SVPWM控制策略能有效减少逆变器输出三相电流总谐波，证明了该控制策略的正确性和可行性。

关键词:逆变器;SVPWM;预测电流控制；Matlab/Simulink中图分类号：TM464

文献标志码:A

文章编号:1003-7241(2020)01-0001-05

SimulationAnalysisofSVPWMControlofPredictveCurrent-modeThree-phaseInverter

ZHOUZhao-xia1,WUShi-yu1,ZHANGLiang2,YEJia-zhuo1

(1.CollegeofElectricalandInformationEngineering,HunanUniversity,Changsha410082China;2.ZhouyuanshanMiningBranchCompany,HunanBlackGoldTime,Co.,Ltd.,Chenzhou423404China)

Abstract:Tosolvetheproblemthattheoutputcurrentrippleofthetraditionalspacevectorpulsewidthmodulation(SVPWM),a

SVPWMcontrolstrategyofthree-phaseinverterisproposed,andathree-phaseSVPWMinverterisestablishedinthree-phasetothemathematicalmodelofthetwo-phasestationarycoordinatesystem.Thereal-timeacquisitionofthethree-phasecurrentisoutputbytheinverteratthekthcycle.Thenextsamplingperiodispredictedbythecurrentmeasure-mentandthecorrespondingtargetvoltagevectorisobtainedaccordingtothepredictionalgorithmcombinedwiththespacevectorcontrolstrategy.Atthek+1thcycleitispossibletosynthesizetheoptimalSVPWMcontrolsignaltodrivetheIGBTpowerdeviceandreducetheinverteroutputcurrentripple.Finally,asimulationmodelofSVPWMforpredict-ingcurrent-modethree-phaseinverterisbuiltbyusingMatlab/Simulink.ThesimulationresultsshowthattheSVPWMcontrolstrategycaneffectivelyreducethetotalharmonicofthethree-phasecurrentoutputoftheinverter,andprovethecorrectnessandfeasibilityofthecontrolstrategy.

Keywords：inverter;SVPWM;premctiveCurrentcontrolstrategy;matlab/Simulink

1引言

目前逆变器控制方法主要分为线性和非线性两大类。线性控制主要采用PWM技术和PI调节器相结合进行控

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(编号51877073)；湖南省重点研发计划项目(编号2017SK2182)收稿日期:2018-11-06

制，采用该方法逆变器输出电压波形质量差，谐波含量高，直流电压利用率低[1]。非线性控制通常是基于滞环控制，因其结构简单，抗干扰能力强，响应速度快等优点，应用较为广泛，但其谐波含量高，开关损耗大。随着社会需求的拉动，先进技术的推动，电力电子技术飞速发展，研究学者相继提出了模糊控制、神经网络、遗传算法、深度

TechniquesofAutomation&Applications17

《自动化技术与应用》2020年第39卷第1期

控制理论与应用ControlTheoryandApplications

学习等新型控制方法但都其因各自的局限性未能得到广泛应用[2-5]。

传统的PWM整流器具有控制简单、性能稳定可以有效地抑制谐波等诸多优点被广泛应用于有源滤波、超导储能、电机驱动、高压输电等领域[6]。然而工业领域很多系统都具有非线性、多变量、强耦合、多输入多输出等特征要想获得十分精确的数学模型非常困难。基于精确数学模型的传统控制理论和控制方法已经很难满足工业应用中对控制系统响应速度快、控制精度高、性能稳定可靠的要求。

预测控制基于闭环优化控制采用多步测试、滚动优化和反馈校正等控制策略，控制效果极好，被国内外工程师广泛地应用在不易建立精确数学模型且控制复杂的工业控制过程中

[1,7-10]

则

（1）

则A、B、C三相相电压矩阵形式为：

（2）

α-β坐标与abc坐标变换公式为：

（3）

（1）式在α-β坐标下表示为：

（4）

设系统电流采样周期为T，则：

（5）

将（5）式代入（4）并离散化简整理得：

（6）

（5）（、6）式中的i（，i（，u（，u（分别为逆αk）βk）αk）βk）变器第k个采样周期内经离散处理，坐标变换得到的输出电流，输出电压。i（，i（分别为αβ坐标下第αk+1）βk+1）k+1个采样周期时的逆变器输出电流预测值。

。

通过对传统SVPWM逆变器的研究，本文提出了一种预测电流型三相逆变器的SVPWM控制策略。通过引入预测算法和空间矢量控制技术有效减少逆变器输出电流谐波。

2三相SVPWM逆变器建模分析

图1是三相逆变电路拓扑结构图，主要由6个IGBT功率器件组成的逆变桥和6个快速续流二极管模块组成。三相桥式逆变电路采用180°导通工作模式，每个IG-BT功率器件都有开和关两种状态，三桥臂共有23=8种开关组合，即矢量U0(0，0，0)、U1(0，0，1)、U2(0，1，0)、U3(0，1，1)、U4(1，0，0)、U5(1，0，1)、U6(1，1，0)、U7(1，1，1),其中U0、U7为零矢量。采用6拍切换模式，可以形成一个按逆时针旋转的完全封闭的正六边形，但是其谐波分量很大。理论上通过不断提高开关切换频率，采用多个电压矢量快速连续切换的方法可以使得磁链轨迹最终趋近于圆形。

3控制策略

预测控制基于闭环优化控制，它不仅能够实时反映被控对象的动态模型而且充分考虑了系统的非线性，在偏差出现前就响应预测算法进行优化控制从而获得更好的动态性能。其主要思路是：首先预测控制对象在下一个周期内系统状态轨迹，然后针对被控对象构建一个最优控制函数，建立最优控制模型，最后通过实时采集，在线评估制定最优控制策略使被控变量的轨迹逐渐趋接近目标函数。

本文中通过对第k周期时逆变器输出三相电流电压信号的实时检测，根据预测电流算法预测出下一个采样周期电流电压并结合空间矢量控制策略得出目标参考矢量，再找到合成所需要的电压矢量，在第k+1周期时采用对称调制模式，计算出各开关作用时间、开关序列合成最优的SVPWM控制信号驱动IGBT功率器件减少逆变器输出电流纹波。

图1三相逆变电路拓扑结构理

则由图1可知：

18

TechniquesofAutomation&Applications控制理论与应用ControlTheoryandApplications

《自动化技术与应用》2020年第39卷第1期

图2控制系统框图

仿真结果如图3-图8所示。图3为SVPWM扇区号N判别的仿真波形，从图中可以看出，合成电压矢量位置依次是按…-6-2-3-1-5-4-6-…顺序的循环出现。

3.1控制系统组成结构

基于预测SVPWM的三相逆变器控制系统组成结构

如图2所示，主要包括三相逆变桥模块、电压矢量计算模块、坐标变换模块、参考函数模块、预测算法模块以及SVPWM模块[11]。系统将实时采集的外环电压，内环电流信号通过坐标变换、预测优化、矢量计算得到Uα，Uβ，最后通过SVPWM模块输出逆变器三相开关信号Sa、Sb、Sc使逆变器输出期望的电流波形。

3.2预测算法

传统的SVPWM控制系统通常采集电网侧电压电流

信号经过坐标变换送到电压矢量计算模块[12]，但是由于采样、滤波、离散化以及计算处理的延误，目标电压矢量等到下一个周期才可以发挥作用，造成逆变器输出电流有一定纹波[13-17]。采用预测控制算法结合SVPWM调制技术就可以有效解决这一问题。有（6）式可知电流预测方程为：

（7）（8）

图3扇区号N判别的仿真波形

4仿真及实验结果分析

本文通过Matlab/Simulink对预测电流型三相逆变器的SVPWM控制系统进行了验证。仿真参数见表1。

图4预测电流型逆变器输出的三相电压电流波形

表1

参数

仿真参数

数值60031.250.08200

图4为预测电流型三相逆变器输出电压、电流波形。从图中看出逆变器稳定后输出电压峰值为310V，电流峰值为30A。

图5为传统SVPWM逆变器输出的电流波形，图6为预测电流型三相逆变器输出电流波形。图5中电流波形粗糙，不平滑，而图6中电流波动很小。

图7为传统SVPWM逆变器输出电流总谐波分析图，图8为预测电流型三相逆变器输出电流总谐波分析图。

TechniquesofAutomation&Applications直流电压Udc/V输出滤波电感mH输出滤波电容mF负载电阻Ω

KpKi

19

《自动化技术与应用》2020年第39卷第1期

控制理论与应用ControlTheoryandApplications

从两张图中我们可以明显看出传统SVPWM逆变器输出电流总谐波畸变率为8.80%，而预测电流型三相逆变器输出电流总谐波畸变率仅仅只有1.94%，说明采用预测电流型三相逆变器的SVPWM控制策略可以大大减少了输出电流谐波分量，使逆变器输出电流波形更趋近于正弦波。

5结束语

本文对预测电流型三相逆变器的数学模型进行了详细分析，基于预测电流控制算法，结合SVPWM控制技术提出了基于预测电流型三相逆变器的SVPWM控制策略。并利用Matlab/Simulink结合矢量控制控制基本思想建立仿真模型进行仿真。通过仿真分析，该控制方法能够有效减少三相逆变器输出电流的谐波分量。仿真结果验证了该控制策略的正确性和可行性。

参考文献:

[1]胡寿松.自动控制原理[M].科学出版社,2007.

[2]SHIREENW，VANAPALLIS，NENEH.ADSPbasedsvpwmcontrolforutilityinteractiveintertersusedinaltern

ateenergysystems[C].AppliedPowerElectron-

图5传统SVPWM逆变器输出三相电流波形

icsConferenceandExpositionDal-las:IEEE,2006．

[3]金楠，胡石阳，崔光照,等.光伏并网逆变器模型预测电流控制研究[J].电测与仪表,2016,53(17)：55-59．

[4]邓泽权，王志新，陆斌锋,等.三相电压型PWM逆变器无电感参数控制策略研究[J].电机与控制应用，2015(5)：1-5．

[5]董翠莲，卢文生.三相异步电动机的矢量控制[J].煤矿机械，2012，33(8):90-91．

[6]DUPCZAKBS，HELDWEINML，PERINAJ.Spacevectormodulationstrategyappliedtointerphasetr-ansformers-basedfive-levelcurrentsourcein-vertersforelectricpropulsion[C]//PowerElectronicsandApplica-tions(EPE2011)，Proceedingsofthe2011-14thEuropeanConferenceon.IEEE，2011：1-10.

[7]吴雷，张可可.三相电压型并网逆变器模型功率预测控制研究[J].电力电子技术，2014，48(7):7-9.

[8]KHOUCHAF，ALESA，KHOUDIRIA，etal.A7-levelsingleDCsourcecascadedH-bridgemultilevelinverterscontrolusinghybridmodulation[C]//Interna-tionalConferenceonElectricalMachines.Rome：Interna-tionalConferenceonElectricalMachines，2010：1-5．

[9]杨勇，樊明迪，谢门喜等.三电平三相逆变器快速有限控制集模型预测控制方法[J].电机与控制学报，2016,20(8)：83-91.

图6预测电流型逆变器输出的三相电流波形

图7传统SVPWM逆变器输出的三相电流总谐波

[10]KOUROS，MALINOWSKIM，GOPAKUMARK，etal.RecentAdvancesandIndustrialApplicationsofMu-ltilevelConverters[J].IEEETransactionsonIndustrialEl-ectronics，2010，57(8)：2553-2580．

[11]王怡人.基于主特征群提取方法的轨道电路干扰数据处理[D].北京交通大学硕士论文,2018.

[12]GARCIAC，RIVERAM，LOPEZM,etal.Predic-tivecurrentcontrolofafourlegindirectmatrixconverterwithimposedsourcecurrentsandcommon-modevoltagereduc-tion[C]//EnergyConversionCongressandExposition(EC-

图8

20

预测电流型逆变器输出的三相电流总谐波

（下转第29页）

TechniquesofAutomation&Applications工业控制与应用IndustryControlandApplications

《自动化技术与应用》2020年第39卷第1期

图5系统软件框图

加工(冷加工),2015(18):58-58.

4结束语

本文所述的手机金属压铸件去批锋自动化柔性系统的实现，能有效提高手机金属压铸件去批锋过程的自动化程度，缓解制造业普遍面临的招工难、用工难现状；可达到每分钟处理手机金属压铸件10个，产品合格率不低于98%。显著提升去批锋的精度与速度，保证产品质量；通过机器换人提高生产效率，降低劳动力成本，使手机企业在综合成本上始终保持全球适度竞争力；可以大幅降低工人劳动强度，改善生产车间劳动环境。

[4]荣烈润.去毛刺技术的发展现状[J].装备机械,1991(2):15-18.

[5]许红昌.去毛刺法及其在差速器壳加工中的应用[J].金属加工(冷加工),2013(18):33-34.

[6]王敏.机械零件去毛刺的方法[J].工程机械与维修,2007(2):133-133.

[7]杨世春,李恒芳.我国精密表面光整加工及去毛刺技术的应用和发展[J].新技术新工艺,1995(3):35-36.

[8]侯敏生.去毛刺对印制板孔金属化质量的影响[J].电子工艺简讯,1992(6):20-20.

参考文献:

[1]邵菲,陈文革.有色金属制精密零件的化学去毛刺技术研究[J].表面技术,2010,39(4):106-109.

[2]胡海珍,郗义举,李增民,等.汽车零部件去毛刺的几种工艺方法[J].金属加工(冷加工),2010(8):32-33.

[3]冯洲鹏,张帅军.斜相贯深孔交叉处去毛刺工具[J].金属

作者简介:陈振伟（1983-），男，硕士研究生，讲师，研究方向:建筑电气与智能化。

（上接第20页）

CE),Septem-ber15-19,2013，Denver，CO，USA：982-989.

[13]徐鲁辉，崔传辉.一种SVPWM过调制控制策略的分析与仿真[J].通讯电源技术，2018,35(4)：3-6.

[14]GAOF，LIANGC，LOHPC，etal.Diode-assist-edbuck-boostcurrentsourceinverters[C].PowerElec-tr-onicsandDriveSystems,2007.PEDS'07.7thInterna-tio-nalConferenceon.IEEE,2007：1187-1193.

[15]SOEIROTB，KOLARJW.Novel3-levelhy-bridneutral-point-clampedconverter[C]//37thAnnualConferenceonIEEEIndustrialElectronicsSociety.Mel-作者简介:周朝霞(1967-)，女，高级工程师,从事传感器、测量仪器等领域的教学与科研工作。

TechniquesofAutomation&Applicationsbourne，VIC：IEEE，2011：4457-4462．

[16]杨勇，赵方平，阮毅等.三相并网逆变器模型电流预测控制技术[J]电工技术学报,2011(6)：153-159.

[17]DARWISHA，HOLLIDAYD，AHMEDS，etal．ASingle-StageThree-PhaseInverterBasedonCukCo-nvertersforPVApplications[J].Emerging&SelectedTopicsinPowerElectronicsIEEEJournalof,2013,2(4)：384-389．

29