基于重复控制方法的三相P WM整流器控制策略研究

基于重复控制方法的三相P WM整流器控制策略研究
高学军;李克成;佘小莉
【摘要】According to the problem that PI control method can hardly restrain the periodic interference,repetitive control method have been introduced to the control of three-phase PWM rectifier.Through the combination of the PI con-trol method and the repetitive control method,not only the stable precision of the system can be improve,but also the dy-namic performance can be balanced.The method can effectively restrain the effect of the periodic interference to the input current and DC voltage.The paper introduces the method of the combination of the PI control method and the repetitive control method in detail,and the improvement of steady-state performance of the system have been verified by the simula-tion.%针对PI控制存在的对周期性扰动抑制能力差的问题，提出了在 PI控制的三相 PWM整流器三闭环控制系统中引入重复控制的方法。

通过将原有PI控制与重复控制相结合，不仅提高系统的稳态精度，同时兼顾了三相 PWM整流器的动态性能，有效地抑制了周期性干扰对输入电流和直流母线的影响。

详细介绍了三相 PWM整流器的 PI 控制与重复控制结合的控制方法，并通过仿真验证了改进后系统的稳态特性有较大的提升。

【期刊名称】《通信电源技术》
【年(卷),期】2014(000)003
【总页数】3页(P17-19)
【关键词】三相PWM整流器;重复控制;周期性干扰
【作者】高学军;李克成;佘小莉
【作者单位】三峡大学，湖北宜昌 443002;三峡大学，湖北宜昌 443002;三峡大学，湖北宜昌 443002
【正文语种】中文
【中图分类】TN86
0 引言
三相PWM整流器作为一种能高效提升电源功率因数的新型电力电子变流装置，
在大功率用电设备上得到了广泛的应用，有效地减小了电力电子装置对电网的谐波注入。

三相PWM整流器一般采用解耦控制方法实现有功电流和无功电流分量的
独立控制［1］。

电压外环和无功电流内环控制器多采用PI控制器，PI控制方法
对于出现的负载瞬变等非周期性扰动能起到较好的调节作用，但仅采用PI控制器
反馈环节难以达到抑制周期性干扰的目的，使得系统稳态性能下降。

尤其对于一些对电源电压质量要求较高的用电设备会出现较大的干扰，导致性能下降。

为了确保系统不仅具备快速调节的能力而且拥有较高的稳态精度，本文结合了重复控制抗周期性干扰强的优点和PI控制快速性的特点，通过一个并联结构，将PI控制器的输出和重复控制器的输出相叠加，得到能兼顾动态和稳态性能的混合控制器，并通过PSIM仿真软件平台验证了引入重复控制方法后三闭环控制系统的有效性。

1 三相PWM整流器数学模型分析
1.1 同步旋转坐标系下三相PWM整流器模型
图1为三相PWM整流器原理图，按照对应的电压电流关系可以列写出三相
PWM整流器的交流侧和直流侧的状态微分方程。

图1 三相PWM整流器电路原理图
由于三相PWM整流器两侧的微分方程表达式中包含有三相对称变量，通过将三
相对称变量映射到同步旋转坐标系下，可以把对称三相电量转化为直流量，从而将三相PWM整流器的数学模型简化为如式(1)所示的数学模型［2］。

式中，ω 为角频率;id、iq、Ud、Uq分别为三相交流电流和电压在同步旋转坐标
系两轴上的分量;C、L分别为直流母线电容和交流侧电感;Sa、Sb、Sc为单极性二值逻辑开关函数。

根据三相PWM整流器在同步旋转坐标系下的简化数学模型，可以容易地画出三
相PWM整流器在同步旋转坐标系下的等效电路，如图2所示［3］。

将三相对称电量转化到同步旋转坐标系下，可以把三相交流量的控制简化为两路直流量的控制，单独控制有功和无功电流。

图2 三相PWM整流器在旋转坐标系下的等效电路
1.2 三相PWM整流器三闭环控制方法
三相PWM整流器多采用电压矢量定向方式来实现解耦控制(即d轴方向为电压矢量方向)，如图3所示，其中向量E、Is分别代表同步旋转坐标系下的电网电压和
输入电流矢量。

图3中，三相采样电流经过坐标变换，由于矢量的d轴分量和电
压矢量方向重合，其为有功电流分量，q轴分量和电压矢量方向正交，其q轴分
量为无功分量。

图3 三闭环控制系统框图
2 复合控制方案分析
在实际情况下输入电流是基波分量和高次谐波相叠加而成。

而开关管死区和非线性因素引起的误差大多会按基波周期以完全相同的波形复现，即误差具有重复性。

重
复控制方法是根据内膜控制原理被提出，其基本思想是假设前一个基波周期的畸变会在下一个基波周期内重复出现［4］。

所以采用重复控制方法能抵消重复性误差。

重复控制的实现方法是通过重复信号发生器累加每个基波周期完成误差，来逼近周期性扰动从而达到抵消其干扰的目的。

由于重复控制器是对上个基波周期内的误差存储到下个基波周期内进行补偿，重复控制指令滞后一个基波周期产生作用，对于非周期性的扰动不产生作用，几乎等效于开环系统［5］，动态特性较差。

采用混合控制方法可以综合PI控制和重复控制的优点，互为补充。

PI环节消除非周期性扰动引起的振荡和超调，达到快速响应的目的，而重复控制环节克服稳态运行时波形周期性的畸变，混合型控制器实际上是两者的叠加［5］(并联结构)。

图4所示为改进后的三闭环控制系统，其中RC代表重复控制器。

控制系统保持原有的直流母线电压，外环仍采用PI控制器，有功电流内环和无功电流内环上叠加
重复控制环节来抑制d轴电流分量和q轴电流分量的周期性扰动。

图4 改进的三闭环控制系统框图
混合控制器如图5所示，其中Cs(z)为PI控制器离散域的传递函数，P(z)为被控对象的离散域传递函数，Kpwm为调制比例系数，n为基波周期内控制器采样的点数，Cz(z)为重复控制器的补偿环节。

而Q(z)是一个低通滤波器，其主要作用是降低内模的敏感度，提升其稳定性［6］，这里可以设置其为Q(z)=(1+z-1+z)/4;设置复合控制器的离散域的传递函数为式(2)。

对q轴被控对象P(z)和PI控制器采用双线性变换法进行离散化，可以得到q轴电流闭环系统的闭环传递函数Gq(z)，变换结果如式(3)所示。

图5 混合控制器框图
其中K1和K2分别为PI控制器PI控制参数之和以及PI参数之差，T为采样周期。

闭环系统特征方程为1+KpwmGc(z)P(z)=0，通过对特征方程的化简，根据劳斯判据可由多项式(4)的系数判定电流闭环的稳定性。

根据对三相PWM整流器数学模型的分析，可以容易得到q轴和d轴闭环系统的闭环传递函数。

由于解耦模型的对称性，q轴和d轴电流闭环相同，采用相同的方法即可得出d轴电流闭环的特性。

3 实验结果
在PSIM仿真软件上搭建了三相PWM整流器控制模型来验证以上分析和设计。

额定输入三相交流电压50 Hz，380 V，设定直流母线电压值650 V，交流侧滤波电感2.5 mH，直流母线支撑电容4 700 μF，直流负载25 Ω。

在输入电流信号上叠加周期性干扰信号来模拟周期性的扰动，观察混合控制方法和只有PI控制器时的输入电流波形和直流电压。

图6 采用PI控制器时的输入电流和直流母线波形
图7 采用混合控制器时的输入电流和直流母线波形
通过图6和图7对比，在周期性扰动信号的作用下，采用纯PI控制器的三相PWM整流器进入稳态后，输入电流存在明显周期性畸变，输入电流基波50 Hz 的THD为17.275%。

而采用混合控制器后，输入电流波形畸变率和直流母线电压的波动均优于仅采用单独PI控制器时的波形，输入电流基波为50 Hz的THD为4.274%。

4 结束语
PI控制具有快速调节瞬时扰动的能力，重复控制具有抵消周期性扰动带来的稳态特性下降的问题。

通过把PI控制和重复控制相互并联叠加起来，兼顾了系统稳态性能和动态性能，使系统能具备抑制瞬时的非周期性扰动和抵消周期性波形畸变的能力。

通过PSIM仿真验证了混合控制器的有效性。

参考文献:
【相关文献】
［1］孟大鹏，郑帅，王亚威，王志强.基于三闭环控制的PWM整流充电技术研究［J］.电力电子技术，2013，47(7):22-24.
［2］张兴，张崇巍.PWM整流器及其控制［M］.北京:机械工业出版社，2012.
［3］徐德鸿.电力电子系统建模及控制［M］.北京:机械工业出版社，2011.
［4］李俊林.单相逆变器重复控制和双环控制技术研究［D］.武汉:华中科技大学硕士学位论文，2004.
［5］李翠艳，张东纯，庄显义.重复控制综述［J］.电机与控制学报，2005，9(1):37-44.
［6］杨云虎，周克亮，卢闻州.三相PWM逆变器鲁棒重复控制策略［J］.东南大学学报(自然科学版)，2011，41(4):750-756.。