基于PI与重复复合控制的并网整流器并网系统研究

赵利民，李海峰

（1.天水师范学院电子信息与电气工程学院 甘肃 天水 741001；2.大连理工大学电子信息与电气工程学部 辽宁 大连 116000）

基于PI与重复复合控制的并网整流器并网系统研究

赵利民1，李海峰2

（1.天水师范学院电子信息与电气工程学院 甘肃 天水 741001；2.大连理工大学电子信息与电气工程学部 辽宁 大连 116000）

在详细分析三相三电平桥式并网整流器工作原理的基础上，针对传统电流内环单PI控制策略难以实现对交流信号无误差跟踪且谐波抑制能力较差等问题，提出并采用了PI控制与重复控制相结合的复合策略实现了并网整流器的单位功率因数控制，给出了详细的理论分析与设计方案。为验证文中控制策略的可行性，进一步构建了完整的系统仿真模型与实验平台。实验结果表明：文中设计并采用的控制策略可有效提升系统性能，输入电流ΤHD得到显著改善，该控制策略结构简单，且便于数字化实现，对于并网整流器的设计具有一定参考意义。

PI控制；重复控制；三相桥式整流器；谐波抑制；单位功率因数

随着电动汽车和直流微网的发展，大功率充电设施的需求日益迫切，对于安全可靠的电源供电系统性也提出越来越高的要求。传统的低压直流供电系统与不间断式交流UPS在可靠性、系统效率、生产成本等方面越来越难以满足现代工业要求，同时由于PWM调制技术的现代整流装置具有网侧谐波含量低、实现单位功率因数运行、直流侧电压控制恒定和能量双向流动等优点，因此在现代电力传动、电动汽车、并网整流等方面获得了广泛关注与应用［1-3］。

文献［4-5］提出了功率预控制策略，为减轻电网电压畸变产生的影响，保证恒定的开关频率；文献［6］建立了同步旋转幽坐标系下的无源功率控制器。该无源功率控制器使整流器实现了功率解耦控制，动静性能良好，然而当负载扰动时其动态性能较差，且不利于数字化实现；文献［7］针对三相桥式整流器中点电压波动，提出将中点电压偏差引入滞环电流闭环控制，动静态性能较好，然而滞环控制开关频率较低且网侧电流谐波含量较大，对于实际应用具有一定的局限性且缺乏完整的理论分析与实验验证；文献［8］对PI控制下PWM整流器进行了定量分析，传统PI控制策略对于交流信号难以实现零静差跟踪，系统动静态性能大打折扣；文献［9］对基于预测控制策略对并网PWM整流器进行了详细分析，然而预测控制系统结构复杂，系统动态性能较差，难以适应现代工业生产的需要。

综上可以看到，随着控制理论的发展，除了传统的控制策略外，还有大量非线性控制方法如基于Lyapunov稳定性理论的控制、PWM整流器时间最优控制、非线性控制［10］、神经网络控制［11］、滑模变结构控制、二次型最优控制、重复控制方式等新型的控制方法［12-13］。然而在进行实际系统设计时，由于开关器件死区影响、电路参数不对称、电网电压扰动以及直流侧电压波动等因素，网侧电流质量较差，PI控制难以抑制网侧电压谐波，同时QPR需要针对不同次谐波分别设计控制器，不利于工程设计，因此如何有效提升网侧电流质量问题具有深远意义。

为较好地解决上述问题，文中在详细分析桥式电路工作机理的基础上，采用PI控制与重复控制相结合的复合控制策略，有效改善了电流波形，降低了谐波含量。文中给出了详细的理论分析与控制系统设计原则，在理论分析的基础上构建了完整的实验样机模型并进行了实验分析，结果表明文中提出并采用的控制策略控制性能良好，可有效降低电流谐波，同时动静态特性优良。

1 三相三电平桥式整流器数学模型

文中采用的三相三电平PWM整流器的电路拓扑如图1所示。

图1中，usx（x=a，b，c）分别为三相交流输入电网电压；L为抑制高次谐波的升压电感，R为升压电感的等值内阻；Sx1与Sx2（a，b，c）分别为由MOSFEΤ管构成的桥式开关管；C为直流侧储能电容；RL为系统负载。

假设电路中开关管均为理想器件，引入整流器开关函数为Sa,Sb,Sc,假定Sa1与Sa2分别表示图1中上下桥臂MOSFEΤ管的开关状态，见下式：根据电路拓扑可知，abc三相坐标下三相VSR整流器数学模型可表示为

图1 三相三电平PWM整流器拓扑Fig.1 Circuit of three-wire three-phase PWM rectifier

2 控制策略

2.1 PI+重复复合控制内环

文中设计并采用电压PI外环与电流内环构成的双环控制结构，其中电压外环PI控制一方面稳定直流侧的电压，另一方面实现单位功率因数控制，区别于传统的电流内环PI控制器，文中设计采用了基于PI与重复控制策略相结合的复合控制策略，其中电流内环通过调节电感电流，实时跟随输入电压的波形变化，确保网侧交流电流动态跟踪的快速性；文中设计采用的双环控制结构框图见图2。

图2 PI与重复复合控制系统原理框图Fig.2 The block diagram of system based on PI and repetitive compound control

如图2所示，直流电压外环采用PI控制维持直流电压稳定，电压外环输出经过锁相后作为网侧电流给定，电流内环经过PI+重复控制调节实现对三相交流参考电流的实时跟踪。

2.2 控制器参数设计

传统的双闭环控制系统采用电压外环PI控制和电流内环PI控制，然而电流内环PI控制难以实现直流信号无静差跟踪，基于此，本文电流内环控制器采用复合控制器来改善电流内环的动稳态响应性能。其中电压外环仍然采用PI控制器，电流内环采用由PI控制器和重复控制器并联而成的复合控制器。PI控制器主要用于改善动态响应性能，重复控制器主要用于改善稳态响应性能。

当电流内环采用单PI控制时，在此给出单PI控制时电流内环控制框图见图3。

图3 电流内环单PI控制框图Fig.3 The diagram of current loop based on PI control

图3中，KPWM为PWM整流器的等效增益，TPWM为数字控制系统采样与控制延时，通常取为0.5～1.5Ts（Ts为系统开关周期），为加快电流内环快速性，在此按照典型I型系统设计控制器，采用PI调节器零点抵消被控对象传函的极点，在此选取阻尼比为0.707，则可得电流内环单PI调节时，控制器参数为

采用的重复控制器时域内表达式为

式中：T为输入电流信号的周期，即系统开关周期。同时，可得重复控制器的离散形式为

结合PI控制器离散模型，可得文中设计并采用的基于PI与重复控制器并联的电流内环复合控制器，结构框图如图4所示。

图4中，N为单基波周期内系统采样频率，文中设计的PWM整流器开关频率可等效为10 kHz，故N=198。KP与KI为PI控制器离散后系数，本文中选取KP=3.36，KI取为85。

图4 PI+重复复合控制结构框图Fig.4 The diagram of PI+repetitive compound control

S（Z）为二阶低通滤波器，由于文中系统开关频率设计为1 kHz，则可根据乃奎斯特采样定理，截止频率在此选取为2 kHz，为保证系统快速性且避免产生谐振峰，结合最优控制原则取系统阻尼比为0.707，则可得该二阶低通滤波器的传递函数为

在此引入双线性变换实现离散化，令

则上式可转化为

需要指出的是重复控制器中超前环节系数的选取需考虑系统采样与控制延时，综合上述延时，图4中的k在此取为3。

3 仿真结果分析

为验证文中控制策略的可行性，在上述理论分析的基础上构建了完整的系统仿真模型，其中针对电流内环分别采用传统PI控制策略、PI+重复复合控制策略进行了必要的仿真分析。系统仿真分析中所涉及的主要参数：交流侧输入电压AC 380 V（实验中使用三相调压器模拟电网电压）；交流侧电感为3 mH；纯阻性负载为100Ω；采样频率为10 kHz；直流侧给定电压为720 V。

图5为系统额定稳态运行时，当电流内环采用单PI控制时桥式整流器纯阻性负载下A相输入电流与电压波形。可以看到电流能很好地跟踪相电压，然而电流谐波较大，基本实现了单位功率因数运行。

图6为稳态额定负载下，采用文中控制策略时A相输入电流与电压波形。可以看到，采用文中控制策略，电流总谐波畸变率可以得到明显抑制，系统性能得到明显改善。

图5 单PI控制时，A相输入电流、电压波形Fig.5 The current and voltage waveform of phase A when adopt single PI control

图6 PI+重复控制时，系统输出波形Fig.6 The output waveforms of system when adopt PI+repetitive compound control

采用文中控制策略，当负载发生突变时，系统经过半个周波后达到稳态，A相输入电压、电流依然保持同相位，如图7所示。可以看出本文所提控制策略在网侧电流谐波抑制上的优越性。

图7 负载突变时，A相输入电压、电流波形Fig.7 The output waveforms of phase A when the load changes

4 实验结果分析

为验证文中设计采用策略的有效性与优越性，在上述理论与仿真分析的基础上，构建了三相三电平全控桥式整流器实验样机并进行了实验验证分析，文中相应的样机实验参数与仿真参数保持一致。

图8a为电流内环采用单PI控制时，A相输入电压与电流波形及电流ΤHD分布，谐波含量较大；图8b为采用文中控制策略时，A相输入电流波形及ΤHD。从图8中可以看到，采用文中控制策略时输入电流中ΤHD明显减小，电压与电流保持同相位，5，7，11谐波得到有效抑制，直流电压输出稳定，系统控制性能良好。

图8 直流输出电压、A相输入电流波形及THDFig.8 The current，THD and voltage waveforms of phase A

图9为当系统负载从100 Ω突降至80 Ω时，直流侧输出电压波形与A相输入电压、电流波形。

图9 负载突变时，直流侧输出电压，A相输入电流、电压波形Fig.9 The current and voltage waveforms of phase A when the load changes

从图9中可以看到，当负载突变，输入电流与输入电压保持同相位，直流侧电压输出基本平滑，系统抗干扰性能优良、控制性能良好，有效说明了文中控制策略的抗扰性与优越性。

5 结论

在详细分析三相三线桥式整流器工作原理的基础上，设计了以PI控制和重复控制并联的复合控制方法构建了电流内环控制器。结合数学模型给出了详细的理论分析与参数设计原则。

仿真与实验结果表明：采用文中控制策略，系统抗干扰性强；同时文中重复控制通过对误差和干扰进行周期性的调节和抑制，提高了系统的稳态跟踪精度，在较低的开关频率及滤波电感下减小输入电流谐波，控制效果良好，三相输入电压电流基本保持同相位，实现了单位功率因数，有效提升了系统整体性能，具有良好的工程实用价值。

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Research of Grid-connected Rectifier Based on the PI and Repetitive Control

ZHAO Limin1，LI Haifeng2
（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Tianshui Normal University，Tianshui 741001 Gansu，China；2.Faculty of Electronic Information and Electrical Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，116000 Liaoning，China）

On the basis of detail analysis of the working principle of three-phase three-wire grid rectifier，in view of the problem which the ability of harmonic suppression is poor and it is difficult to tracking the AC signal without error when the current inner loop adopts single PI control strategy，the control strategy named PI and repetitive compound strategy was put forward to achieve the interconnected rectifier unit power factor control.The detailed theoretical analysis and design were given.To test and verify the feasibility of the control strategy，a complete system simulation model and experimental platform were further built，the experimental results show that the design and the control strategy can effectively improve the system performance，the input current THD get improved significantly，the control strategy is simple and easy realized in the digital control，provides an important reference for the design of grid-connected rectifier.

PIcontroller；repetitivecontroller；three-phasebridgerectifier；harmonicsuppression；unitpowerfactor

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20170205

2015-11-26

修改稿日期：2016-06-15

国家自然科学基金（61461046）

赵利民（1976-），男，副教授，Emila：1458418146@qq.com