基于PI重復控制的三相整流器研究

徐敏銳， 楊世海， 盧樹峰， 孫　軍

(1 江蘇省電力公司電力科學研究院, 江蘇 南京 210097； 2 武漢磐電科技有限公司， 湖北 武漢，430056)

基于PI重復控制的三相整流器研究

徐敏銳1， 楊世海1， 盧樹峰1， 孫軍2

(1 江蘇省電力公司電力科學研究院, 江蘇 南京 210097； 2 武漢磐電科技有限公司， 湖北 武漢，430056)

[摘要]傳統PI控制器算法簡單實用、動態響應速度較快，但無法實現無靜差控制且穩態性能不理想。重復控制器可以實現對交流信號無靜差跟蹤、有效抑制諧波，但其控制具有滯后性、動態性能較差。采用PI控制和重復控制相結合的復合控制策略，以TMS320F28335DSP為核心設計一臺6 kVA三相電壓型PWM整流器樣機。實驗結果表明該方法在抑制電流諧波方面作用明顯，能夠提高系統的穩態精度和動態性能。

[關鍵詞]PWM整流器； PI控制；重復控制；穩態精度

目前，許多電力電子裝置和實驗調試場合需要高性能的直流電源，傳統的直流電源大多采用不控整流或相控整流，在穩定性、諧波、精度等性能方面無法達到要求。近年來業界重點關注和研究的三相PWM整流器具有輸入電流諧波含量低、功率因數可控、動態響應較快等優點，現已替代傳統直流電源大量應用于對電源性能要求較高的場合[1-2]。

隨著科技的進步，整流器的控制策略從簡單的開環控制發展到近年來成熟的數字PI控制、重復控制、滯環控制等新型控制策略，整流器的性能也得到大幅改善，特別是在降低輸入電流諧波和提高系統穩態精度方面。三相PWM整流器常采用數字PI控制，其實現容易、動態性能較好、參數的選定比較簡單，但數字PI控制由于自身特性，缺乏有效降低電流諧波的能力，產生的穩態誤差也較大[3]。為了進一步改善三相PWM整流器性能，本文利用重復控制能夠有效抑制穩態誤差以及降低諧波的特性，結合PI控制和重復控制兩種控制策略各自優點，提出一種基于PI控制和重復控制的三相PWM整流器復合控制策略，該控制方案能夠有效提高系統的動態性能以及穩態精度，降低各低頻次電流諧波含量[4]。

1三相PWM整流器的數學模型

三相PWM整流器選擇三相半橋電路作為主電路(圖1)。主電路包含三個部分：輸入環節、整流環節、輸出環節。輸入環節由三相平衡電網電壓Ea、Eb、Ec、輸入濾波電感L等構成；整流環節由IGBT及其驅動組成的三相半橋整流電路構成；輸出環節由直流穩壓電容C以及等效負載RL構成，三相電網電壓經電感濾波，然后再通過三相整流電路得到直流電壓。

圖 1　三相PWM整流器主電路結構

根據電路中基爾霍夫電壓定律，三相PWM整流器的數學模型如下：

(1)

由圖1可知整流器主電路采用的是三相半橋結構，因此采用單極性調制方式即可滿足要求。開關變量函數定義為：Sk(k=a,b,c)，Sk=1表示k相橋臂的上管導通，Sk=0表示k相橋臂的下管導通。根據文獻[5]可以將式(1)變成由開關函數描述的回路方程

(2)

式中Vrd=SdVdc；Vrq=SqVdc。

2控制系統設計

2.1PI控制器設計

由式(2)可知d、q軸電流之間存在相互耦合的情況，需要進行解耦才能獨立控制有功電流id和無功電流iq。當電流控制器采用PI控制時，其解耦后的電流控制見圖2。

圖 2　解耦后的電流控制框圖

數字系統是一個離散型系統，它在進行AD采樣和產生PWM過程中具有一定的延時和間隔，在設計數字PI調節器時可以將其過程等效成一階慣性環節[6]，忽略電網電壓造成的干擾和電流耦合效應，可得到d軸電流在連續系統模型下的控制框圖見圖3。

圖 3　d軸電流環

圖3中Ts為系統開關周期，KPWM為PWM等效放大倍數，Kip和KiI分別為比例系數和積分系數，τi=Kip/KiI，由圖3可得系統開環傳遞函數為

按照典型I型系統校正，令τi=L/R,將系統開環傳遞函數的零、極點對消，進行降階處理，則簡化后的開環傳遞函數為：

可得系統閉環傳遞函數：

根據文獻[7]可知，為使二階系統獲得良好的動態特性，一般選取阻尼比ξ=0.707，可得Kip=L/3TSKPWM,KiI=R/3TSKPWM。

2.2重復控制器設計

系統的動態響應特性與穩態特性是一對相互矛盾的特性，PI控制的動態響應速度快，響應速度過快容易導致超調，超調又必然會降低系統的穩定性和抗干擾性。基于內模原理的重復控制在提高系統穩定性和降低電流諧波方面效果比較理想，但由于它會嚴重降低系統的動態響應速度，一般很少單獨采用[8]。針對PI控制和重復控制各自優缺點，結合PI控制在系統動態響應速度方面的優勢，以及重復控制在提高系統穩定性和降低電流諧波方面的顯著作用，本文采用PI控制加重復控制的復合控制策略(圖4)。

圖 4　三相PWM整流器PI控制加重復控制結構圖

由圖(4)可知PI(z)表示離散化后的PI調節器傳遞函數，P(z)表示系統控制對象。重復控制器包括重復控制內模和補償器，其傳遞函數為：

G(z)=KMC(z)

KM表示重復控制內模；C(z)表示補償器。

重復控制內模的函數表達式為：

其中Q表示低通濾波器，其作用是提高系統穩定性，為了設計簡單通常選取接近于1的常數，這里選取Q=0.98。Z-N作用是使系統誤差調節延遲一個周期執行，是C(z)中超前環節ZK進行相位補償必不可少的環節。

C(z)=KrZKS(z)為補償器。根據文獻[9]可知，補償器的作用是給系統的動態誤差提供幅值補償和相位補償，其中Kr作為增益系數，其值的大小同時影響系統穩態誤差和穩定精度，需要合理選取，這里選擇Kr=0.95。ZKS(z)目的是將系統中的高頻進行衰減和低頻進行校正，進一步提高系統的穩定性，S(z)的選取與系統控制對象有關，ZK作用是在下一周期提前K拍實現系統的相位補償，一般選取K=3。

3實驗結果

為了驗證該控制方法在實際工程中的有效性和可靠性，利用實驗室現有條件研制了一 臺6 kVA三相PWM整流器實驗樣機(圖5)。該樣機的開關頻率為9.6 kHz，其交流側接入三相平衡的380 V/50 Hz電網電壓，直流輸出電壓為650 V，選用大功率波紋電阻作為負載。6個470 uF薄膜電容并聯構成直流濾波穩壓電容，輸入濾波電感選用工頻鐵芯材料進行繞制，其電感量為5 mH。

圖 5　整流器實驗樣機圖

圖6為系統在PI控制加重復控制策略下，從空載突加到滿載時A相輸入電流波形。圖7a和圖7b表示系統只采用PI控制，A相輸入電流波形圖和此時各次諧波含量圖。圖8a和圖8b表示系統采用PI控制加重復控制，A相輸入電流波形圖和此時各次諧波含量圖。

圖 6　PI控制加重復控制突加負載時A相輸入電流波形

(a)A相輸入電流波形

(b)A相輸入電流THD圖 7　PI控制

(a)A相輸入電流波形

(b)A相輸入電流THD圖 8　PI控制加重復控制

分析圖6可以發現，系統針對負載突加情況下的動態響應速度很快。圖8a與圖7a比較發現，圖7a中電流波形在峰值附近出現畸變、正弦化程度不是很高，圖8a中電流波形更平滑、更接近正弦波。圖7b表明系統采用單PI控制時，其電流總諧波含量為3.436%，圖8b表示加入重復控制后電流總諧波降低至2.091%，對比圖7b與圖8b分析還可發現，采用PI控制加重復控制后，電流各次諧波含量均有所降低，這表明采用PI控制加重復控制策略在抑制電流諧波特別是低頻次諧波方面效果明顯。

4結論

為了提高三相PWM整流器的穩態精度和降低低頻次電流諧波，本文采用了基于PI控制和重復控制的復合電流控制策略，實驗結果證實了該控制方案能夠有效改善整流器的輸入電流波形，降低低頻諧波，具有較好的工程應用價值。

[參考文獻]

[1]張興，張崇巍.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社,2012.

[2]徐德鴻.現代電力電子學[M].北京：機械工業出版社,2013.

[3]陳堅.電力電子學—電力電子變換和控制技術[M].北京:高等教育出版社,2004.

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[5]Malinnowski M S.Senesorless control strategies for three-phase pwmrectifier[D].Warsaw University of Technolgy.Ph.D.Thesis,2001.

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[7]李劍林.PWM整流器負載前饋控制策略研究[J].電力電子技術,2011, 17(7):39-42.

[8]喬鳴忠,夏益輝,梁京輝.基于重復—PI的復合控制應用于并聯有源電力濾波器研究[J].電力系統保護與控制，2013，41(11):27-33.

[9]趙濤.基于PI和重復控制三相并網逆變器的設計[J].電力電子技術,2015, 26(3):44-47.

[責任編校： 張巖芳]

Three-phase Rectifier Based on PI Repetitive Control

XU Minrui1, YANG Shihai1, LU Shufeng1, SUN Jun2

(1JiangsuElectricPowerCompanyResearchInstitute，Nanjing210097,China;2WuhanPandianTech.Co.,LTD，Wuhan430056,China)

Abstract：Traditional PI controller algorithm is simple and practical with faster dynamic response, but cannot control without static errors and stability is not ideal. Repetitive controllers can track communication signals without static errors, and effectively suppress the harmonic, but its control is lagging behind and its dynamic performance is relatively poor. This paper proposed a control strategy combining PI control and repetitive control, with tms320f28335dsp as the core design a 6KVA three-phase voltage source PWM rectifier. The experimental results show that the method in the suppression of the current harmonics has obvious effect, and can improve the steady-state accuracy and dynamic performance.

Keywords：PWM inverter；PI control ；repetitive control ；steady-state accuracy

[收稿日期]2015-05-15

[作者簡介]徐敏銳(1976-)， 男， 江蘇淮安人，江蘇省電力公司高級工程師，研究方向為計量檢測與管理

[文章編號]1003-4684(2016)02-0077-04

[中圖分類號]TM464

[文獻標識碼]：A