電壓型PWM整流器PI參數(shù)整定

張蕊萍，陳志強(qiáng)

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

電壓型PWM整流器PI參數(shù)整定

張蕊萍，陳志強(qiáng)

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

單相電壓型PWM整流器(VSR)滯環(huán)電流控制的PI調(diào)節(jié)器參數(shù)整定是一項(xiàng)極其重要卻又十分依賴經(jīng)驗(yàn)的工作，在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上應(yīng)用Matlab/Simulink研究了PI調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)直流側(cè)電壓響應(yīng)的影響，總結(jié)出PI調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)對(duì)直流側(cè)電壓響應(yīng)的影響規(guī)律，提出了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的PI參數(shù)整定方法。

PWM整流器；滯環(huán)控制；PI參數(shù)整定

電壓型PWM整流器(VSR)由于具有網(wǎng)側(cè)電流諧波含量小、功率因數(shù)高、電能可雙向傳輸、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于交流傳動(dòng)系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)常采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的雙閉環(huán)滯環(huán)電流控制方案。該控制方案中PI控制器參數(shù)需要協(xié)調(diào)才能獲得良好的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能。針對(duì)以上問(wèn)題提出的計(jì)算方法和改進(jìn)算法都是在多種簡(jiǎn)化假定的基礎(chǔ)上獲得的，依據(jù)它們得到的PI參數(shù)組合，只能作為設(shè)計(jì)的一個(gè)起點(diǎn)，卻不能指望它們本身給出理想的仿真波形。所以必須在這些理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，對(duì)PI參數(shù)作進(jìn)一步的整定，才有可能得到滿意的結(jié)果。本文提出了一種滯環(huán)電流控制的PI計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上在Matlab/Simulink環(huán)境中對(duì)基于雙閉環(huán)單相電壓型PWM整流器進(jìn)行了大量的PI參數(shù)性能測(cè)試和分析工作，從而提出了PI參數(shù)整定的方法，并通過(guò)仿真波形驗(yàn)證了其有效性。

1 單相VSR滯環(huán)電流控制數(shù)學(xué)模型

單相電壓型PWM整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。它采用了具有4個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的H橋結(jié)構(gòu)，IGBT和續(xù)流二極管并聯(lián)作為橋臂開(kāi)關(guān)器件。如果不考慮單相VSR橋路損耗，且系統(tǒng)運(yùn)行于單位功率因數(shù)整流狀態(tài)時(shí)，橋路輸入輸出功率

圖1 單相電壓型PWM整流器主電路結(jié)構(gòu)

平衡方程為：

對(duì)式(1)進(jìn)行化簡(jiǎn)及拉式變換得：

若電流內(nèi)環(huán)滯環(huán)PWM開(kāi)關(guān)頻率足夠高，則電流內(nèi)環(huán)可由一個(gè)小慣性環(huán)節(jié)代替，i表示電流內(nèi)環(huán)等效時(shí)間常數(shù)，得：

為了濾除直流電壓偏差中的二次紋波，可設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，若采用簡(jiǎn)單的一階低通濾波器，則截止頻率（c=1/c）一般選在1/2基波頻率以下，即濾波器傳遞函數(shù)為：

圖2 滯環(huán)PWM電流控制的單相全橋VSR控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在工程設(shè)計(jì)中典型Ⅱ型系統(tǒng)采用閉環(huán)諧振最小峰值法[1]確定PI調(diào)節(jié)器的比例常數(shù)p和積分常數(shù)i。由典型Ⅱ型系統(tǒng)控制器參數(shù)整定關(guān)系得：

2 單相VSR PI參數(shù)的整定

圖3和圖4分別顯示調(diào)整一個(gè)PI參數(shù)，且固定其他參數(shù)時(shí)直流電壓的階躍響應(yīng)波形。

圖3 up變化時(shí)直流側(cè)電壓波形

圖4 up過(guò)大導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)時(shí)直流側(cè)電壓波形

圖5 ui變化時(shí)直流側(cè)電壓波形

根據(jù)式(6)計(jì)算出PI調(diào)節(jié)器參數(shù)初始值后，圍繞參數(shù)初始值分析直流電壓響應(yīng)特性，最后依據(jù)以上規(guī)律得出參數(shù)調(diào)整的方法。初始參數(shù)下的直流響應(yīng)如圖6的虛線所示。首先得出其問(wèn)題為：①穩(wěn)定速度過(guò)慢；②超調(diào)量過(guò)大；③靜差過(guò)大，不滿足要求。針對(duì)這些問(wèn)題，可以得出參數(shù)調(diào)整方法：①適當(dāng)增大up，提高系統(tǒng)穩(wěn)定速度；②適當(dāng)增大，使超調(diào)量降低；③增大ui，以提升曲線，消除靜差。調(diào)整參數(shù)后的響應(yīng)波形如圖6中實(shí)線所示。

圖6 PI參數(shù)調(diào)整方法舉例

3 結(jié)論

本文建立了單相VSR滯環(huán)電流控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)分析了PI調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)對(duì)直流側(cè)電壓波形的影響，總結(jié)出PI參數(shù)整定的方法。根據(jù)此方法，只需要分析直流側(cè)電壓的波形，發(fā)現(xiàn)其存在的問(wèn)題，就能知道如何進(jìn)一步調(diào)整PI調(diào)節(jié)器參數(shù)，相比傳統(tǒng)方法可以達(dá)到事半功倍的效果。此方法不僅適用于單相VSRPI參數(shù)整定，對(duì)于采用PI控制的其他控制系統(tǒng)也有一定的參考價(jià)值。

[1]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

PIparameter setting of voltage type PWM rectifier

ZHANG Rui-ping,CHEN Zhi-qiang

PIrectifier parameter setting of single phase voltage type PWM rectifier(VSR)hysteresis current control is a work of very importance and largely depending on experience.Based on the establishmentofmathematicalmodel, the influence of PIrectifier parameters on the DC side voltage response was studied by Matlab/Sim link.The influence regular pattern of PIrectifier parameters on the DC side voltage response was summed up,proposing a simple and practicalmethod for PIparameter setting.

PWM rectifier;hysteresis control;PIparameter setting

TM 461

A

1002-087 X(2014)05-0941-02

2013-11-28

甘肅省普通高等學(xué)校研究生導(dǎo)師資助項(xiàng)目(1004-06)

張蕊萍(1974—)，女，陜西省人，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動(dòng)。