总第 46 卷 第 517 期 2009 年 第 01 期 电测与仪表 Electrical Measurement &Instrumentation Vol.46 No.517 Jan. 2009 PWM整流器的双闭环控制系统设计 与仿真研究 张晓东，王兵树，张军伟 （华北电力大学 控制科学与工程学院，河北 保定 071003） VSR PWM 整流器（ 摘要：三相电压型 调节器的参数成为人们越来越关注的课题 内环和电压外环的简化数学模型，该模型既能真实反映三相 提出了三相 关键词： 中图分类号：TM461 调节器；闭环控制；仿真 文献标识码：A 整流器； PI PWM VSR 双闭环控制的整定方法，并通过仿真试验对该整定法进行了验证 。 ）的控制通常采用双闭环控制，如何能够便捷又准确的得到双闭环控制系统 电流 根据设计要求， PWM 的运行状态，又便于工程设计 整流器的高频特性，建立了三相 文章根据三相电压型 VSR 。 VSR 。 文章编号：1001-1390（2009）01-0073-04 Design and Simulation of Double Closed-loop PI Regulator of Three-phase Voltage Source Rectifier Control System ZHANG Xiao-dong, WANG Bing-shu, ZHANG Jun-wei (College of Control Science and Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003,Hebei,China) Abstract: Three-phase Voltage Source Rectifier usually adapts double closed-loop control, and how to receive PI parameter accurately is became a very important object. In this paper, the simple models of the inner current control loop and outer voltage control loop are built according to the VSR’s high frequency characteristic. This model can describe the running states of the VSR, and design easily by using it. In this paper, the method of the double closed-loop PI regulator of the three-phase voltage source rectifier control system is designed, and the simulation waves prove this method right. Key words: VSR, PI regulator, decouple closed-loop control, simulation 0 引 言 随着电力电子技术的发展，三相电压型 ）因其具有功率因数可控 整 网侧电流趋于正 、 直流侧电压稳定等优点，在工程中 、 PWM VSR 流器（ 弦 能量双向流动 、 得到广泛的应用 。 VSR 目前，由于难以建立准确的三相 数学模型， 参数的设计主要根 为了便于工程上的应用，本文根据 的数学模型进行了 参数的设计方法， 电压外环和电流内环的调节器 据实际经验确定 三相 VSR 简化设计，提出了双闭环调节器 并给出仿真波形进行试验验证 的高频特性，对三相 VSR 。 PI PI 。 1 三相PWM整流器数学模型 , PWM 三相电压型 整流器电路拓扑结构如图 由主电路和控制电路两部分组成 所 示 主电路包括交 流侧电压源 直流电容以及由全 、 控开关器件和续流二极管组成的三相全桥电路；控制 电路主要由电压外环调节器与电流内环调节器组成， 其作用为控制全控开关器件的开断 交流侧的电感 、 电阻 、 。 1 。 图 中， 1 ua、ub、uc 为三相电源相电压， 整流器交流侧三相输出电压，以中性点 0 ua0、ub0、uc0 为参考点 为 。 假设电网电压三相对称稳定，根据基尔霍夫电压 定律，根据图 可列出系统微分方程如下： 1 73- - 

- - - 电测与仪表 。 c N a L L L + +- 1/ R L R s? / ) + ( 1 R R R + + + P b Vol.46 No.517 Jan. 2009 for phase a 所示结构 Electrical Measurement &Instrumentation 似简化为如图 3 电流内环闭环传递函数为： 总第 46 卷 第 517 期 2009 年 第 01 期 Fig.3 Simplified diagram of current control loop 图3 简化的电流内环控制框图 - 图1 三相电压型PWM整流器主电路拓扑结构 Fig.1 Main circuit of three-phase PWM rectifier
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K Fig.4 Diagram of inner current control loop with filter 为了消除相电压 的干扰作用，提高系统的电流 跟踪性能，可在控制端引入电源电压作为扰动补偿[3]， 控制原理框图 所示 5 由于式（ ）所示的电流内环闭环传递函数有一个 4 一阶零点，它将使系统的超调量增大，因此，为了抵消 这个零点，可在闭环系统的前面加一个时间常数为 所 KP＝KiPKPWM （ ） 5 由式（ ）求得电流内环阻尼比和自然震荡频率为： 4 （ dic +Ric=ec+uc0 dt 对式（ ）进行拉普拉斯变化，可得三相 1 （ ） ia s ）= ） （ （ -ua0 s ea s （ ） ib s ）= （ ） （ -ub0 s s eb （ ） s ic （ ） ec S 根据文献 控制的小惯性特性，电流内环结构可由图 考虑电流内环信号采样的延迟和 所示 ，阻 参考值带入式（ ），即可设计出电 7 ωn≤2πfs/20 为电流内环电流采样周期 （即 为桥路 等效增益 图4 有给定滤波器的电流内环结构图 ） R+KP ， KI=KiIKPWM s/L+KI/L Fig.2 Principle diagram of inner current control loop 的惯性环节，此环节称为给定滤波器 图2 电流内环控制原理图 2 双闭环控制系统PI参数整定 2.1 电流内环调节器PI参数整定 PWM 的结构图描述，以 a 工程上取电流内环自然震荡频率 姨 姨 姨 KiP= 姨 姨 姨 姨姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 KiI= 姨 ωn= KI/L 联立式（ ） 5 Goi= Kp L 式中 三相的传递函数： 式（ ）得： 6 、 开关周 调 电流控制器采用 尼比 流内环 L 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨姨 L 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 L 姨 姨姨 姨 dia dt dib dt 2 Lωn KPWM +Rib=eb-ub0 KP/KI 示 。 +Ria=ea-ua0 ）= （ s -uc0 调节参数 % 2 KIL 姨 VSR a、b、c 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨姨 姨 如图 4 。 ξ=0.707 ωn、ξ 1 1 1 ） R+KP 0.5 T s ? + 1 + 相为例 。 for phase a ξ= 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 姨 2ξωnL-R KPWM R L R s ? 1 / ) + ( PI 。 K s K? + + 。 + （ ） 1 Ls+R Ls+R Ls+R + Ts （ ） 2 （ ） 4 （ ） 6 （ ） 7 2 * s+K1/KP （ 2 + s 期）， PWM 节，其传递函数为： Kpwm 。 + - + + + + 1 + Ls R % ，将 ua、ub、uc [1], PWM PI （ ） 3 （ ） s KiI s =KiP+ %%%GPI1 在实际工程中，当电流采样频率 的开关 足够高时，可以忽略电流内环等效小时间常数 fs ）影响 ，若不考虑电压扰动作用，电流内环可近 即 、 PWM 图5 引入扰动补偿的内环控制框图 Fig.5 Principle diagram of inner current control loop with Voltage disturbance compensation for phase a 时，可消除相电压对系统的扰 图 中，当 5 Kf=1/KPWM 频率 （ 1.5Ts 74- - 

）可知电压外环为二型系统，因此可用典 由式（ 型系统整定法求取电压调节器参数为[6]： 10 。 电测与仪表 Electrical Measurement &Instrumentation 总第 46 卷 第 517 期 2009 年 第 01 期 动作用 2.2 电压外环调节器PI参数整定 PWM 电压外环调节器控制

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v )K 1s? ? 整流器输出稳定的直 流电压，使直流侧输出电压高于电源线电压的峰值 。 通常电流内环控制的带宽比电压外环控制的带宽大 得多，在电压外环控制中可以认为三相实际电流 完全跟踪三相参考电流 a、i* ic 制中电流内环的闭环传递函数 合文献 电压外环控制结构图，如图 6 ia、ib、 ，因此在电压外环控 结 可以简化为 给出的电压外环控制结构图，可得到简化的 3 三相VSR双闭环控制系统仿真分析 建立三相 System Block 验验证，仿真参数为： 整定方法的可行性，采用 为了验证上述三相 Tv=5τv 4C τv ， 5]。 所示 PWM 600V ? (1 + T s ! # # # # " # # # # $ VSR Kv= b、i* c 1 sC 型 II Goi [1] 。 1[4 T s i* + - 0.7 5 +τ 电网电压 器，变压器采用 功率为 Y/Δ ；三相 整流器双闭环控制系统 Matlab/Simulink Power 仿真模型，并进行仿真试 中的 ，通过三相变压器变压接入整流 ，逆变器 连接，二次侧电压为 ，电阻 ，给定直流电压 交流侧电感 L=0.008H 240V C=0.0075F Vol.46 No.517 Jan. 2009 （ ） 11 图6 三相VSR电压外环控制结构图 Fig.6 The simplified diagram of three-phase VSR voltage control system 中 为电压采样小惯性时间常数，调节器采用 图 6 调节，其传递函数为： PI ） （ s = %%%GPI2 （ KV ） 1+TVs TVs 电压外环开环传递函数为： WOV= （ ） 0.75KV 2（ TVCs 1+TVs ） τvs+1 500kW VSR ，直流侧电容 R=0.001Ω 600V。 当电流环采样时间 时 数为： τv=0.002s KIP=32 Tv=0.025。 Ts=0.001s ，根据上述推导公式，可得电流内环 ，电压外环采样时间 参 ， 参数为： PI Kv=6 ， τi=133.3 ；电压外环 PI （ ） 9 （ ） 10 在系统运行到 秒时给系统加入阶跃扰动，系统 0.5 重新达到稳态时的系统动态响应曲线如图 所示 7 。 由图 中的仿真曲线可知，当系统在突加扰动时， 7 三相 输出的直流电压在调节系统的作用下能够 很快使电压达到稳定，系统具有较好的抗扰动性；图 VSR 7 （ ）整流器直流侧输出电压 a ）整流器交流侧电压与电流曲线 （ b （ ）系统无功与有功的变化曲线 c （ ）电流跟踪电流给定值的变化曲线 d 图7 三相VSR双闭环系统响应曲线 Fig.7 Response curves of double closed-loop control of three phase VSR control system 75- - 

总第 46 卷 第 517 期 2009 年 第 01 期 电测与仪表 Electrical Measurement &Instrumentation Vol.46 No.517 Jan. 2009 图 、 （ ）表明，交流侧电压与电流相位基本能够保 （ ） c 7 b 整流器单位功率因数的控 持同相，实现了三相 制，系统无功分量基本为零；图 （ ）为电流跟电流给 7 d 定值的变化曲线，可以看出系统电流具有很强的跟踪 性能 PWM 。 当直流负载端加入高于 的直流电压时，三 工作在逆变状态，此时交流侧电流与电网相电 ，实现了能量的双向传输， 600V VSR 相 压反向，此时功率因数为 如图 所示逆变状态下交流侧电压与电流波形 8 。 -1 图8 逆变状态下交流侧电压与电流波形 Fig.8 The curves of the VSR voltage control system in 3 结束语 inversion state 由仿真试验可知，当电流内环和电压外环采用文 中所述的整定方法时，三相 整流器双闭环控制 系统具有较好的电流跟踪性能及抗干扰性能，能够得 到较好的系统响应曲线 电 PWM 压外环和电流内环调节器的整定方法是简单可行的 有效的，非常便于工程上的设计需要 因此文中对于三相 PWM 。 、 。 （上接第 72 页） MEASUREMENT AND CONTROL TECHNOLOGY, 2006,(3):28-30. 的事件处理方法与实现 汪乐宇 杨国忠 基于 周泓 余锋 , , , . VISA 测 [J]. [4] 控技术 参 考 文 献 整流器及其控制 [M]. 北京：机械工业出版社， .PWM 张崇巍，张兴 [1] 2003.10 ： 62-148. Zhang Chun-Wei, Zhang Xing. PWM Rectifier and Control [M]. BeiJing: China Machine Press, 2003.10:62~148. 李友善主编 自动控制原理 北京：国防工业出版社， [2] . [M]. 1980. Li You -Shan.The Principle of automatic control [M]. BeiJing: National 刘敬芳 刘斌帅 改进的有源电力滤波三角波脉宽调制电流控 Defense Industry Press, 1980. 马惠 [3] 制方法 , [J]. , . 电力自动化设备 ,2004,21(3):30-33. Ma Hui, Liu Jin-Fang, Liu Bing-Shuai. Improved triangle-wave pulse- width modulation current control method for active power filter[J]. Electric Power Automation Equipment, 2004, 21(3):30-33. 三相高功率因数 整流器双闭环控制系统 PWM 朱永亮 , 马惠 张宗濂 . 电力自动化设备 , [4] 设计 [J]. ,2006.11,26(11):87-91. Zhu Yong-Liang, Ma Hui, Zhang Zong-lian. Dual closed-loop control for three -phase high -power -factor PWM rectifier [J].Electric Power Automation Equipment, 2006.11, 26(11):87-91. [5]Ye Y,Kazerani M,Quintana V H.A novel modeling and method for three -phase PWM converters.PESC.2001 IEEE 32 Annual.2001,1:102 - 107. [6] 魏泽国 ： 138-181. . 1985.8 可控硅串级调速的原理及应用 北京：冶金工业出版社， [M]. Wei Ze-Guo. The principle and application of the silicon control cascade ），男，内蒙古丰镇市人，博士研究生，研究方向电力拖动 1979- [M]. BeiJing: Metallurgy Industry Press, 1985.8:138-181. 作者简介： 张晓东（ 及自动化 王兵树 统仿真与建模 张军伟（ 动技术与大电机调速 。Email: luckdd@163.com 河北省平山县人，教授，博士生导师 (1950-), 1974- 男 , 大容量电机串级调速 、 ），男，河北省赵县人，博士研究生，研究方向电力电子传 。 研究方向系 , 。 收稿日期： 2008-09-05 （杨长江 编发） 王厚军 , 田书林 测控技术 [7] 实现 [J]. ,2001,20(9):19-22. 陈光 , ( 礻禹 ), 陆明 .VXI 内嵌式控制器的 设计与 VISA ,2000,19(9):45-48. Wang Hou-jun,Tian Shu-lin,Chen Guang-ju,Lu Ming.De sign of VISA I/ Yang Guo -zhong,Zhou Hong,Yu Feng,Wang Le -yu.Events Handling O Library of Embedded VXI Controllers [J]. MEASUREMENT AND Mechanism & Implementation of VISA [J]. MEASUREMENT AND CONTROL TECHNOLOGY, 2000, 19(9):45-48. 霍晓敏 转换器功能函数的设计与实现 [5] 技大学测试计量技术及仪器专业 .USB-GPIB 成都 : [D]. 电子科 张未未 王学伟 中的应用 , [6] C++ WANG Xue -wei .USB-GPIB VISA 函数库的开发及在 Visual [J] 电测与仪表 ， ZHANG Wei -wei．Development of the VISA Function ,2006,43(11):50-53. ,2004. 控制器 (1958-) CONTROL TECHNOLOGY, 2001, 20(9): 19-22. 作者简介： 王学伟 ，男，汉族，教授，博士生导师，研究方向为现代信号处 理，小波变换及应用，电参量测量与谐波分析理论，电能质量分析理 论，功率电能测量智能仪器的开发 童永霞 (1984-) 算机应用技术 ，女，汉族，硕士研究生，研究方向为自动化测试技术，计 ： wangxw@mail.buct.edu.cn 。Email ： tongyongxia@126.com 。Email Lib for USB -GPIB Controller and its Visual C ++ Application [J]. ELECTRICAL MEASUREMENT & INSTRUMENTATION, 2006, (11): 51-53． 76- - 收稿日期： 2008-10-06 （杨长江 编发）