三相电压源型PWM整流器PI调节器的设计分析.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.77M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 三相电压源型 PWM 整流器 PI 调节器的设计分析# 孔祥平，张哲** 5 10 （强电磁与新技术国家重点实验室（华中科技大学），武汉 430074）摘要：为了加快动态响应，加强对非线性负载扰动的适应能力，三相电压源型 PWM 整流器广泛采用了电流内环电压外环的双环 PI 控制方案。双环 PI 调节器参数对三相电压源型 PWM 整流器的直流侧电压响应、交流侧谐波与功率因素有很大的影响。双环 PI 调节器参数的设计是一个重要、复杂而又十分经验性的工作。本文应用 Matlab/Simulink 仿真研究了不同双环 PI 调节器参数对三相电压源型 PWM 整流器工作性能的影响，并据此提出了一套简单方便的双环 PI 调节器参数的设计方法。仿真结果验证了该方法的有效性和可行性。关键词：PWM 整流器；双环控制；响应特性；谐波；PI 调节器参数中图分类号：TM461 15 The Design and Analysis of PI Regulator of Three-phase Volatge Source PWM Rectifier KONG Xiangping, ZHANG Zhe 20 25 30 (State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology (Huazhong University of Science and Technology), WuHan 430074) Abstract: In order to quicken the dynamic response and strengthen the ability to adapt to disturbance of nonlinear load, three-phase voltage source PWM rectifier employs double loop PI control scheme which consists of current inner loop and voltage outer loop widely. The parameters of double loop PI regulators have significant influence on the DC side voltage response, AC side harmonic component and power factor of three-phase voltage source PWM rectifier. The design of double loop PI regulator parameters is a very important, complicated and empirical work. With the simulation tool of Matlab/Simulink, this paper analyzes the influence of different double loop PI regulator parameters on the operation characteristics of three-phase voltage source PWM rectifier. Based on that, a design method of double loop PI regulator parameters which is simple and convenient is proposed. The simulation results show the effectiveness and feasibility of the proposed method. Key words: PWM Rectifier; double loop control; response characteristic; harmonic component; PI regulator parameters 35 0 引言由于具有直流侧电压可控、交流侧功率因数可调等优点，三相电压源型PWM整流器被广泛应用于有源滤波器、超导储能、交流电机驱动、高压直流输电、分布式电源等领域[1,2]。三相电压源型PWM整流器常采用电流内环、电压外环的双环PI控制方案[3-5]，其中电压外环用于控制整流器的输出电压，电流内环实现网侧电流的波形和相位控制。 40 在双环PI控制方案中，控制器PI参数的选择对三相电压源型PWM整流器的暂态和稳态响应性能、直流侧电压波动和网侧电流的谐波含量有很大的影响，因此合理地选择双环PI 基金项目：国家自然科学基金资助项目（51177058）；高等学校博士学科点专项科研基金项目（20090142110055）。作者简介：孔祥平，(1988-)，男，博士研究生，主要研究方向为电力系统继电保护及安全稳定控制通信联系人：张哲(1962—)，男，博士，教授，主要研究方向为电力系统继电保护，新能源及超导技术. E-mail: zz_mail2002@163.com - 1 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 控制方案中的PI参数对于获得良好的三相电压源型PWM整流器的工作性能具有重要意义。针对控制器PI参数的设计问题，有不少文献介绍了多种计算和改进方法[2,6,7]，但是，这些方法在计算过程中进行了多种简化假定，由此得到的PI参数在实际的整流器控制中并不能 45 达到较为理想的效果。为了得到满足设计指标的控制效果，还需要在这些理论计算的基础上对PI参数作进一步的改进。在实际工程应用中，这个改进过程是十分必要和重要的，而又极其依赖实际工程经验。若没有一定的依据而只是盲目的试探，则会浪费大量的时间和精力。本文在Matlab/Simulink仿真环境中对采用双环PI控制方案的三相电压源型 PWM 整流器进行了大量的参数性能测试工作，充分分析了各个控制器的 PI 参数对直流侧电压波形和 50 网侧电流谐波分量的影响模式，提出了一套简单方便的PI参数设计方法，为实际工程应用中的PI参数设计指明了方向。 1 三相电压源型 PWM 整流器双环控制方案三相电压源型 PWM 整流器拓扑结构如图 1 所示。、、为三相电网电压，、、为三相电网电流，和分别代表交流侧的每相电感和电阻，直流侧滤 55 波电容值为，直流侧电压为，为直流侧负载电阻，表示直流反电动势。若 =0，则直流侧为纯电阻负载。图 1 三相电压源型 PWM 整流器拓扑结构 Fig.1 the topology of 3-phase PWM voltage source converter 60 三相电压源型PWM整流器的控制目标是：直流侧电压恒定，且具有良好的动态响应能力；确保交流电网输入电流正弦，实现单位功率因数。因此，三相电压源型PWM整流器一般采用电压外环、电流内环的双环控制策略，其控制结构框图如图2所示。图 2 三相电压源型 PWM 整流器的双环控制器结构框图 65 Fig.2 the dual-loop control diagram of 3-phase PWM voltage source converter 从图 2 中可以看出，为简化控制算法，采用了电网电压定向矢量控制，即将两相同步旋转坐标系的轴固定在电网电压矢量上，以实现有功功率和无功功率的解耦。直流侧电压和有功功率密切相关，通过控制电网电流的轴分量可以实现对直流侧电压的控制。控制电网电流的轴分量可以控制电网侧的无功功率，即控制交流侧的功率因数。因此， 70 在控制结构框图中，外环电压控制器的输出作为轴电流指令，且令以实现整流器 - 2 - aetbetcetaitbitcitLRCdcuLRLeLeea(t)eb(t)ec(t)LLLRRRia(t)ib(t)ic(t)abcudcRLeLCbeaecePIabc/dq-ed/dtebiaiciabc/dqdiqi+*dcudcu*di-+PI*0qi-+PI+++++deqRiLiqedRiLise*du*qudq/abc*au*bu*cuSPWMaSbScS'du'qudqdsuddiqqiddi0qi

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 的单位功率因数运行。电流控制器和电流反馈构成内环，将电流调节器的输出分别和另外两项(耦合补偿项和电网电压扰动项)运算得到控制量对整流器实施控制。 2 双环控制器 PI 参数的理论计算 2.1 电流内环 PI 参数计算 75 由于两电流内环的对称性，本文均以为例进行讨论。忽略三相电压源型 PWM 整流器的交流侧电阻时的电流内环控制结构如图 3 所示。图 3 忽略 R 时近似的电流内环结构 Fig.3 approximative current inner loop when R is neglected 80 图 3 中，为电流内环采样周期（亦即 PWM 开关周期），为电流内环比例系数，为电流内环积分系数，为整流器的 PWM 增效增益。由图 3 可以得到电流内环的开环传递函数为， (1) 为了获得较快的电流跟随性能，按照典型 I 型系统设计电流内环。按照典型 I 型系统参 85 数设计关系，可得，， (2) 2.2 电压外环 PI 参数计算由文献[2]可知，经简化的电压外环控制结构如图 4 所示。 90 图 4 电压外环的简化结构 Fig.4 simplified structure of voltage outer loop 在图 4 中，，其中为电压外环采样周期；为电压外环比例系数；为电压外环积分系数。由图 4 可以得到电压外环的开环传递函数为， (3) 95 为了得到较好的抗扰性能，按照典型 II 型系统设计电压外环。按照典型 II 型系统参数设计关系，可得， 2.3 仿真分析， (4) 采用 Matlab/Simulink 软件搭建仿真模型，并对上述计算得到的 PI 参数的理论值进行仿 - 3 - diiiPis+1Ks151PWMsK.Ts1sL+-didisTiPKiIiPiKKPWMK211.51iPPWMioiisKKsWsLsTs3iPsPWMLKTK3iIsPWMRKTKuuPuTs+1KTs0751eu.Ts1sC+-dcudcu3euusTTuuPKuIuPuKKT20.75+1+1uPuouueuKTsWsCTsTs45uPeuCKT2425uIeuCKT

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 100 真验证。系统参数为：电源相电压 220V， =50Hz，电感 =4mH，电阻 =0.1Ω 。直流侧为纯电阻负载，即 =0 ， =50 Ω ，滤波电容 =2000 μ F ，直流电容电压参考值 =800V。开关频率为 10kHz。在 SPWM 调制环节前加一个比例器来补偿 PWM 增益， =1。考虑直流侧电压波动情况，取。计算得到， =13.33， =333.33， =1.6， =320。通过 Matlab/Simulink 仿真得到的电压外环和轴电流内环响应波形如 105 图 5 所示，此时网侧电流的总谐波畸变率在 4.52%左右。（a）电压外环响应输出（b）轴电流内环响应输出图 5 双环响应输出 Fig.5 response output of double loop 110 从图 5 中可以看出，电压外环和电流内环的响应输出都存在较大的超调量，且稳定时间较长。因此，采用理论计算得到的 PI 参数的控制效果不够理想，在实际工程现场中还需要根据响应输出的波形进一步调整 PI 参数以得到理想的控制效果。 3 PI 参数对双环响应特性的影响分析下面进一步通过仿真分析 PI 参数对电压外环、电流内环的响应特性的影响。 115 电压外环比例系数变化时，三相电压源型 PWM 整流器的电压外环、轴电流内环响应输出波形如图 6 所示。从图 6 中可以看出，增大可以提高系统响应速度，缩短调节时间。同时，增大可以减小电压外环输出的超调量，而对电流内环输出的超调量没有影响。但不能过大，否则系统将会失稳。如图 6（a）中所示，当增大到 12 时，直流侧电压不能稳定，而是振 120 荡的，从而导致轴电流也剧烈振荡，大大增加了网侧电流的谐波含量。电压外环积分系数变化时，三相电压源型 PWM 整流器的电压外环、轴电流内环响应输出波形分别如图 7、8 所示。（a）变化时的电压外环响应输出（b）变化时的轴电流内环响应输出 125 图 6 变化时的双环响应输出 Fig.6 response output of double loop when changes - 4 - fLRLeLRC_dcrefuPWMK7usTiPKiIKuPKuIKd00.040.080.120.160.204008001200t/sudc/V00.040.080.120.160.2080160240t/sid/AduPKduPKuPKuPKuPKduIKd00.040.080.120.160.204008001200t/sudc/V KuP=1.6KuP=4KuP=8KuP=1200.040.080.120.160.2060120180240t/sid/AKuP=1.6KuP=8KuP=12KuP=4uPKuPKduPKuPK

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn （a）情况 1 （b）情况 2 图 7 变化时的电压外环响应输出 130 Fig.7 response output of voltage outer loop when changes 从图 7 中可以看出，随着的增大，电压外环控制器的调整时间增大，即直流侧电压的波形稳定速度减慢，则超调量减小。但是，从图 7（a）中 0.16~0.20s 之间的放大波形可以看出，在较小的情况下，虽然随着的减小，调整时间缩短，但是直流侧电压与给定值 =800V 之间还存在一定的误差，且误差值随着的增大而从负变正。当增 135 大到一定数值时，则不存在此现象，如图 7（b）所示。从图 8 中可以看出，随着的增大，电流内环控制器的调整时间增大，即网侧电流的波形稳定速度减慢。 140 图 8 变化时的轴电流内环响应输出（a）情况 1 （b）情况 2 Fig.8 response output of axis current inner loop when changes 电流内环比例系数变化时，三相电压源型 PWM 整流器的电压外环、轴电流内环响应输出波形如图 9 所示。 145 （a）变化时的电压外环响应输出（b）变化时的轴电流内环响应输出图 9 变化时的双环响应输出 Fig.9 response output of double loop when changes 从图 9（a）中可以看出，增大可以提高电压外环的响应速度，缩短调节时间，同时可以减小超调量。当增大到一定程度后，电压外环响应输出波形变化很小。但是从图 9 150 （b）中可看出，虽然随着的增大，电流内环的响应速度增快，但是过大的将导致电流内环的控制失稳，使得网侧电流谐波含量大大增加。电压外环积分系数变化时，三相电压源型 PWM 整流器的电压外环、轴电流内环 - 5 - 00.10.20.36008001000t/sudc/VKuI=5KuI=10KuI=200.160.180.2795800805t/sudc/VKuI=20KuI=5KuI=1000.10.20.304008001200t/sudc/VKuI=40KuI=200KuI=400KuI=800uIKuIKuIKuIKuIK_dcrefuuIKuIKuIK00.10.20.3080160240t/sid/AKuI=320KuI=5KuI=20KuI=10000.10.20.3-4004080120160200240t/sid/AKuI=320KuI=400KuI=600KuI=800uIKdduIKiPKd00.10.20.360080010001200t/sudc/VKiP=10KiP=160KiP=80KiP=80000.10.20.3080160240t/sid/AKiP=10KiP=80KiP=800KiP=160iPKiPKdiPKiPKiPKiPKiPKiPKiIKd

中国科技论文在线响应输出波形分别如图 10、11 所示。 http://www.paper.edu.cn 155 （a）情况 1 （b）情况 2 图 10 变化时的电压外环响应输出 Fig.10 response output of voltage outer loop when changes 从图 10（a）中可以看出，当不超过一定范围时，随着的增大，电压外环控制器的调整时间缩短，即直流侧电压的波形稳定速度加快，且直流侧电压的超调量减小。但是， 160 从图 10（b）中可以看出，当过大时，随着的增大，直流侧电压的波形稳定速度将减慢，超调量增大，甚至可能造成系统失稳。（a）情况 1 （b）情况 2 图 11 变化时的轴电流内环响应输出 165 Fig.11 response output of axis current inner loop when changes 从图 11 所示的轴电流内环响应输出波形中可以看出同样的控制规律。 4 仿真验证基于上节中PI参数对电压外环、电流内环的响应特性影响的分析，即可以从式（2）、（4）计算出的理论PI参数出发，根据直流侧电压的响应特性相应地调整PI参数，以获得更 170 为理想的控制特性。从图5可以看出，在计算得到的理论参数之下，响应输出的调整时间过长，超调量过大。调整的目标是：减小超调量，在缩短调整时间的同时，也要保证直流侧电压完全跟踪上给定值 =800V的时间不能过大。即增大、和，减小，但注意要保证电压外环、电流外环均能稳定地工作。经过分析，选择 =5， =6， =160， =800，得到 175 电压内环和轴电流内环响应输出波形如图12所示。（a）电压外环响应输出（b）轴电流内环响应输出图 12 双环响应输出 - 6 - 00.10.20.304008001200t/sudc/VKiI=200KiI=333.33KiI=500KiI=80000.10.20.304008001200t/sudc/VKiI=800KiI=12000KiI=3000KiI=40000iIKiIKiIKiIKiIKiIK00.10.20.3-4004080120160200240t/sid/AKiI=200KiI=333.33KiI=800KiI=50000.10.20.3-200-1000100200300t/sid/AKiI=40000KiI=12000KiI=3000KiI=800iIKddiIKd_dcrefuuPKiPKiIKuIKuPKuIKiPKiIKd00.010.020.030.0402004006008001000t/sudc/V00.010.020.030.04-4004080120160200240t/sid/Ad

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 180 从图12中可以看出，在该改进参数下，电压外环与电流内环均快速进入稳定状态，且直流侧电压的超调量仅约为44V，调节时间仅约为0.02s。可见，在改进参数下，三相PWM电 Fig.12 response output of double loop 压源型整流器的暂、稳态性能都得到了大大的提升。 5 结论三相电压源型PWM整流器的双环PI控制器参数可由理论公式计算得出，但是由于计算 185 过程中的简化，PI参数理论值并不能保证良好的工作性能。实际中仍需要根据响应输出波形进一步调整PI参数。本文分别分析了电压外环、电流内环的PI参数对整流器响应动态过程的影响，并以此提出了进一步调整PI参数的依据。仿真结果表明，根据本文的结论对PI参数进行调整可以获得满意的响应输出波形，证明了本文所提出的调整PI参数的原则的正确性。 190 [参考文献] (References) 195 200 [1] 徐金榜. 三相电压源型 PWM 整流器控制技术研究[D]. 武汉：华中科技大学，2004. [2] 张崇巍，张兴. PWM 整流器及其控制[M]. 北京：机械工业出版社，2003. [3] Pan Ching-tsai, Shieh Jenn-jiong. New space-vector control strategies for three-phase setp up/down AC/DC converter[J]. IEEE Transaction on Industrial Electronics, 2000, 47(1):25-35. [4] 张兴，张崇巍. PWM 可逆变流器空间电压矢量控制技术研究[J]. 中国电机工程学报，2001，21(10)： 102-105. [5] 钟炎平，沈颂华. PWM 整流器的一种快速电流控制方法[J]. 中国电机工程学报，2005，25(12)：52-56 [6] 赵振波，李和明. PWM 整流器 PI 参数设计[J]. 华北电力大学学报，2003，30(4)：34-37. [7] 杨德刚，赵良炳，刘润生. 三相高功率因数整流器的建模及闭环控制[J]. 电力电子技术，1999，33(5)： 49-51 [8] 汪万伟，尹华杰，管霖. 双闭环矢量控制的电压型 PWM 整流器参数整定[J]. 电工技术学报，2010，25 (2)：67-72 - 7 -

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