三相电压型PWM整流器PI调节器参数整定的原理和方法

三相电压源型PWM整流器

PI调节器参数整定的原理和方法

1引言

1.1 PID调节器简介

在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。目前，在工业过程控制中，95%以上的控制回路具有PID结构。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的，其原理图如图1-1所示。

图1-1 PID控制系统原理图

PID控制器传递函数常见的表达式有以下两种：

（1）

()i

p d

K

G s K K s

s

=++

，Kp代表比例增益，Ki代表积分增益，Kd代表微

分增益；

（2）

1

()

p d

i

G s K T s

T s

=++

（也有表示成

1

()(1)

p d

i

G s K T s

T s

=++），Kp代表比

例增益，Ti代表积分时间常数，Td代表微分时间常数。

这两种表达式并无本质区别，在不同的仿真软件和硬件电路中也都被广泛采用。

⏹比例（P，Proportion）控制

比例控制是一种最简单的控制方式，其控制器的输出与输入误差信号成比例关系，能及时成比例地反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产

生，调节器立即产生控制作用，以减少偏差。当仅有比例控制时系统输

出存在稳态误差（Steady-state error）。

⏹积分（I，Integral）控制

在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。

对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制

系统是有稳态误差的或简称有差系统（System with Steady-state Error）。

为了消除稳态误差，在控制中必须引入“积分项”。积分项对误差取决

于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，

积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误

差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系

统在进入稳态后无稳态误差。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，

Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。

⏹微分（D，Differential）控制

在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现

振荡或者失稳。其原因是在于由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞

后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。

解决的办法是使抑制误差的作用“超前”，即在误差接近零时，抑制误

差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是

不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微

分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就

能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控

量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）

控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。

P环节作为PID调节的灵魂，是必不可少的，I和D不可能单独存在而起到调节作用。常见的调节器有P调节、PI调节、PD调节、PID调节，在实际应用中，PI调节相对于PD、PID调节用的更多。

PID调节器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID调节器的比例增益、积分时间和微分时间的大小。PID调节器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定调节器参数。这种方法所得到的计算结果未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，方法简单，易于掌握，在实际工程中被广泛采用。

1.2 柔性直流控制系统中包含的PI环节

电压源换流器的控制方式主要可以分为间接电流控制和直接电流控制两大类。间接电流控制，实际上就是所谓的“电压幅值相位控制”，即通过控制换流器交流侧输出电压基波的幅值和相位来达到控制目标。此控制方式的特点是结构简单，但存在着交流侧电流动态响应慢、难以实现过电流控制等缺陷。目前，占主导地位的是直接电流控制，也称为“矢量控制”，通常由外环电压控制和内环电流控制两个环构成，具有快速的电流响应特性和很好的内在限流能力，因此很适合应用于高压大功率场合的柔性直流系统。

在直接电流控制策略中，电压外环跟踪系统级控制器给定的参考信号，采用实际值与参考值相比较经PI调节器输出电流指令，可以实现定直流电压、定有功功率、定频率、定无功功率、定交流电压等控制目标。电流内环主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，电压环输出的电流指令与实际电流相比较经PI调节，最终得到调制电压，再与三角波比较产生触发脉冲信号。

图1-2是一端换流站直接电流控制基本原理示意图。其中A

参考为有功功率类

控制量，B

参考为无功功率类控制量。

图1-2 一端换流站直接电流控制原理示意图

从上图可以看出，在柔性直流控制系统中，整流侧和逆变侧分别包含4个PI环节，控制对应的有功、无功分量。因此，PI参数的整定在柔性直流控制系统设计中占有重要地位。

1.3 本文研究内容

本文从理论计算和工程经验两个角度，探讨了柔性直流控制回路中PI调节器的参数整定原理和方法。包含以下内容：

（1）根据电压源换流器VSC的电路结构及其在dq坐标系下的数学模型，推导出电流环、电压环的传递函数。按照典型I型、典型II型、二阶

系统三种方案设计电流内环，分析并比较了三种方案下的阶跃响应和

动态性能。基于VSC一般低频模型设计电压外环，并分析了电压外环

的阶跃响应和动态性能。

（2）梳理了几种工程中实用的PI参数整定方法，这些方法较之理论计算，更为简单实用。

（3）通过系统仿真，对通过理论计算和工程经验整定出的PI参数合理性进行验证。