電壓型PWM整流器PI參數整定

張蕊萍，陳志強

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070）

電壓型PWM整流器PI參數整定

張蕊萍，陳志強

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070）

單相電壓型PWM整流器(VSR)滯環電流控制的PI調節器參數整定是一項極其重要卻又十分依賴經驗的工作，在建立數學模型的基礎上應用Matlab/Simulink研究了PI調節器參數對直流側電壓響應的影響，總結出PI調節器各個參數對直流側電壓響應的影響規律，提出了一種簡單實用的PI參數整定方法。

PWM整流器；滯環控制；PI參數整定

電壓型PWM整流器(VSR)由于具有網側電流諧波含量小、功率因數高、電能可雙向傳輸、動態響應快等優點，被廣泛應用于交流傳動系統，其控制系統常采用電流內環和電壓外環的雙閉環滯環電流控制方案。該控制方案中PI控制器參數需要協調才能獲得良好的暫態和穩態響應性能。針對以上問題提出的計算方法和改進算法都是在多種簡化假定的基礎上獲得的，依據它們得到的PI參數組合，只能作為設計的一個起點，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算的基礎上，對PI參數作進一步的整定，才有可能得到滿意的結果。本文提出了一種滯環電流控制的PI計算方法，在此基礎上在Matlab/Simulink環境中對基于雙閉環單相電壓型PWM整流器進行了大量的PI參數性能測試和分析工作，從而提出了PI參數整定的方法，并通過仿真波形驗證了其有效性。

1 單相VSR滯環電流控制數學模型

單相電壓型PWM整流器的主電路拓撲結構如圖1所示。它采用了具有4個功率開關管的H橋結構，IGBT和續流二極管并聯作為橋臂開關器件。如果不考慮單相VSR橋路損耗，且系統運行于單位功率因數整流狀態時，橋路輸入輸出功率

圖1 單相電壓型PWM整流器主電路結構

平衡方程為：

對式(1)進行化簡及拉式變換得：

若電流內環滯環PWM開關頻率足夠高，則電流內環可由一個小慣性環節代替，i表示電流內環等效時間常數，得：

為了濾除直流電壓偏差中的二次紋波，可設計一個低通濾波器，若采用簡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，即濾波器傳遞函數為：

圖2 滯環PWM電流控制的單相全橋VSR控制系統結構

在工程設計中典型Ⅱ型系統采用閉環諧振最小峰值法[1]確定PI調節器的比例常數p和積分常數i。由典型Ⅱ型系統控制器參數整定關系得：

2 單相VSR PI參數的整定

圖3和圖4分別顯示調整一個PI參數，且固定其他參數時直流電壓的階躍響應波形。

圖3 up變化時直流側電壓波形

圖4 up過大導致系統失穩時直流側電壓波形

圖5 ui變化時直流側電壓波形

根據式(6)計算出PI調節器參數初始值后，圍繞參數初始值分析直流電壓響應特性，最后依據以上規律得出參數調整的方法。初始參數下的直流響應如圖6的虛線所示。首先得出其問題為：①穩定速度過慢；②超調量過大；③靜差過大，不滿足要求。針對這些問題，可以得出參數調整方法：①適當增大up，提高系統穩定速度；②適當增大，使超調量降低；③增大ui，以提升曲線，消除靜差。調整參數后的響應波形如圖6中實線所示。

圖6 PI參數調整方法舉例

3 結論

本文建立了單相VSR滯環電流控制系統數學模型，詳細分析了PI調節器各個參數對直流側電壓波形的影響，總結出PI參數整定的方法。根據此方法，只需要分析直流側電壓的波形，發現其存在的問題，就能知道如何進一步調整PI調節器參數，相比傳統方法可以達到事半功倍的效果。此方法不僅適用于單相VSRPI參數整定，對于采用PI控制的其他控制系統也有一定的參考價值。

[1]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，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

甘肅省普通高等學校研究生導師資助項目(1004-06)

張蕊萍(1974—)，女，陜西省人，副教授，主要研究方向為電力電子與電力傳動。