电压型PWM整流器PI参数整定

张蕊萍，陈志强

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070）

电压型PWM整流器PI参数整定

张蕊萍，陈志强

（兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070）

单相电压型PWM整流器(VSR)滞环电流控制的PI调节器参数整定是一项极其重要却又十分依赖经验的工作，在建立数学模型的基础上应用Matlab/Simulink研究了PI调节器参数对直流侧电压响应的影响，总结出PI调节器各个参数对直流侧电压响应的影响规律，提出了一种简单实用的PI参数整定方法。

PWM整流器；滞环控制；PI参数整定

电压型PWM整流器(VSR)由于具有网侧电流谐波含量小、功率因数高、电能可双向传输、动态响应快等优点，被广泛应用于交流传动系统，其控制系统常采用电流内环和电压外环的双闭环滞环电流控制方案。该控制方案中PI控制器参数需要协调才能获得良好的暂态和稳态响应性能。针对以上问题提出的计算方法和改进算法都是在多种简化假定的基础上获得的，依据它们得到的PI参数组合，只能作为设计的一个起点，却不能指望它们本身给出理想的仿真波形。所以必须在这些理论计算的基础上，对PI参数作进一步的整定，才有可能得到满意的结果。本文提出了一种滞环电流控制的PI计算方法，在此基础上在Matlab/Simulink环境中对基于双闭环单相电压型PWM整流器进行了大量的PI参数性能测试和分析工作，从而提出了PI参数整定的方法，并通过仿真波形验证了其有效性。

1 单相VSR滞环电流控制数学模型

单相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构如图1所示。它采用了具有4个功率开关管的H桥结构，IGBT和续流二极管并联作为桥臂开关器件。如果不考虑单相VSR桥路损耗，且系统运行于单位功率因数整流状态时，桥路输入输出功率

图1 单相电压型PWM整流器主电路结构

平衡方程为：

对式(1)进行化简及拉式变换得：

若电流内环滞环PWM开关频率足够高，则电流内环可由一个小惯性环节代替，i表示电流内环等效时间常数，得：

为了滤除直流电压偏差中的二次纹波，可设计一个低通滤波器，若采用简单的一阶低通滤波器，则截止频率（c=1/c）一般选在1/2基波频率以下，即滤波器传递函数为：

图2 滞环PWM电流控制的单相全桥VSR控制系统结构

在工程设计中典型Ⅱ型系统采用闭环谐振最小峰值法[1]确定PI调节器的比例常数p和积分常数i。由典型Ⅱ型系统控制器参数整定关系得：

2 单相VSR PI参数的整定

图3和图4分别显示调整一个PI参数，且固定其他参数时直流电压的阶跃响应波形。

图3 up变化时直流侧电压波形

图4 up过大导致系统失稳时直流侧电压波形

图5 ui变化时直流侧电压波形

根据式(6)计算出PI调节器参数初始值后，围绕参数初始值分析直流电压响应特性，最后依据以上规律得出参数调整的方法。初始参数下的直流响应如图6的虚线所示。首先得出其问题为：①稳定速度过慢；②超调量过大；③静差过大，不满足要求。针对这些问题，可以得出参数调整方法：①适当增大up，提高系统稳定速度；②适当增大，使超调量降低；③增大ui，以提升曲线，消除静差。调整参数后的响应波形如图6中实线所示。

图6 PI参数调整方法举例

3 结论

本文建立了单相VSR滞环电流控制系统数学模型，详细分析了PI调节器各个参数对直流侧电压波形的影响，总结出PI参数整定的方法。根据此方法，只需要分析直流侧电压的波形，发现其存在的问题，就能知道如何进一步调整PI调节器参数，相比传统方法可以达到事半功倍的效果。此方法不仅适用于单相VSRPI参数整定，对于采用PI控制的其他控制系统也有一定的参考价值。

[1]张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，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

甘肃省普通高等学校研究生导师资助项目(1004-06)

张蕊萍(1974—)，女，陕西省人，副教授，主要研究方向为电力电子与电力传动。