双闭环矢量控制的电压型PWM整流器参数整定.docx

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双闭环矢量控制的电压型PWM整流器参数整定

双闭环矢量控制的电压型PWM整流器参数整定

汪万伟;尹华杰;管霖

【摘要】双闭环矢量控制的电压型PWM整流器的PI参数整定是一项极其重要却又十分依赖经验的工作,参考文献很少。

本文应用Matlab/Simulink仿真研究了这种整流器系统的L、C参数和PI调节器参数对直流侧电压响应及交流侧谐波与功率因数的影响,提出了一套简单易行、规范化的设计和参数整定方法。

并用实例说明了这种方法的具体操作过程,验证了其有效性。

【期刊名称】《电工技术学报》

【年（卷）,期】2010（000）002

【总页数】7页（PP.67-72,79）

【关键词】PWM整流器;矢量控制;PI;参数整定;仿真

【作者】汪万伟;尹华杰;管霖

【作者单位】华南理工大学电力学院,广州510640

【正文语种】中文

【中图分类】工业技术

2010年2月第25卷第2期电工技术学报TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYV01.25No.2Feb.2010歹D环矢量空制的电压型PWM整流器参数整定汪万伟尹华杰管霖（华南理工大学电力学院广州510640）摘要双闭环矢量控制的电压型PWM整流器的PI参数整定是一项极其重要却又十分依赖经验的工作，参考文献很少。

本文应用Matlab/Simulink仿真研究了这种整流器系统的

三、C参数和PI调节器参数对直流侧电压响应及交流侧谐波与功率因数的影响，提出了一套简单易行、规范化的设计和参数整定方法。

并用实例说明了这种方法的具体操作过程，验证了其有效性。

关键词：

PWM整流器矢量控制PI参数整定仿真中图分类号：

TM461ParameterSettingforDoubleClosed-LoopVectorControlofVoltageSourcePWMRectifierWangWanweiYinHuajieGuanLin（SouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou510640China）AbstractThePIparametersettingofdoubleclosed-loopvectorcontrolofvoltagesourcePWMrectifierisveryimportantandlargelydependingonexperiencewithfewreferencesavailable.Inthispaper,howtheL.CvaluesandPIparametersinfluencetheoutputDCvoltagewaveform,ACsideharmonicsandpowerfactorarestudiedbysimulationinMatlab/Simulink,andbasedonwhichasimpleandnormalizedmethodforthecontrolsystemdesignandPIparametersettingisproposed.Someexamplesaregiventoillustratetheapplicationofthismethod.Keywords:

rectifier,vectorcontrol,PI,parametersetting,simulation1引言单位功率因数的电压型PWM整流器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[1-2]，而被广泛应用于交流传动系统中，其控制系统往往采用电流内环和电压外环的双闭环直接电流矢量控制方案[3-7]。

该控制方案中有3个PI控制器参数需要确定，这些参数需要协调才能获得良好的暂态和稳态响应性能。

此外，控制器PI参数的选择有时会对网侧轭流电感上的微小变化十分敏感，而在实际工程中又无法保证三绝对恒定，这更增加了PI参数设计的难度。

国家自然科学基金资助项目（50777022）。

收稿日期2009-07-20改稿日期2009-11-03针对以上问题，有不少文献介绍了多种PI参数计算方法，例如文献[8-10]。

文献[11]也提出了一些改进算法。

然而这些计算方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就可以给出良好的实验结果或理想的仿真波形。

人们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。

在实际工程应用中，这个调整过程既十分必要和重要，又极端依赖经验。

它必须以充分了解各个PI参数对外部响应特性的影响模式为基础，盲目的试探费时费力而又收效甚微。

到目前为止，这方面的文献十分难觅。

本文在Matlab仿真环境中对基于双闭环直接电流矢量控制的电网侧PWM整流器进行了大量的参数性能测试和分析工作。

在此基础上，提出了一2010年2月第25卷第2期电工技术学报TRANSACTIONSOFCHINAELECTROTECHNICALSOCIETYNo.2Feb.歹D环矢量空制的电压型PWM管霖（广州）验的工作，参考文献很少。

本文应用Matlab/Simulink仿真研究了这种整流器系统的三、C参数和PI调节器参数对直流侧电压响应及交流侧谐波与功率因数的影响，提出了一套简单易行、规范化的设计和参数整定方法。

并用实例说明了这种方法的具体操作过程，验证了其有效性。

关键词：

PWMPI参数整定仿真中图分类号：

TM461ParameterSettingforDoubleClosed-LoopVectorControlofWangWanweiYinHuajieGuanLin（SouthChinaUniversityofTechnologyPIparametersettingofdoubleclosed-loopvectorcontrolofvoltagesourcePWMrectifierisveryimportantandlargelydependingonexperiencewithfewreferencesavailable.Inthispaper,howtheL.CvaluesandPIparametersinfluencetheoutputDCvoltagewaveform,ACsideharmonicsandpowerfactorarestudiedbysimulationinMatlab/Simulink,andbasedonwhichasimpleandforthecontrolsystemdesignandPIparametersettingisproposed.Someexamplesaregiventoillustratetheapplicationofthismethod.rectifier,vectorcontrol,PI,parametersetting,simulation1引言单位功率因数的电压型PWM整流器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、。

该控制方案中有3个PI控制器参数需要确定，这些参数需要协调才能获得良好的暂态和稳态响应性能。

此外，控制器PI参数的选择有时会对网侧轭流电感上的微小变化十分敏感，而在实际工程中又无法保证三绝对恒定，这更增加了PI参数设计的难度。

国家自然科学基金资助项目（50777022）。

收稿日期2009-07-20针对以上问题，有不少文献介绍了多种PI参数计算方法，例如文献[8-10]。

文献[11]也提出了一些改进算法。

然而这些计算方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就可以给出良好的实验结果或理想的仿真波形。

人们必须在这些理论计算的基础上，对PI参数作进一步的整定，这个调整过程既十分必要和重要，又极端依赖经验。

它必须以充分了解各个PI参数对外部响应特性的影响模式为基础，盲目的试探费时费力而又收效甚微。

到目前为止，这方面的文献十分难觅。

本文在Matlab仿真环境中对基于双闭环直接电流矢量控制的电网侧PWM整流器进行了大量的参数性能测试和分析工作。

在此基础上，提出了一68电工技术学报2010年2月套简单可行、规范化的参数整定方法，它包括L.C的取值范围及直流电压下限的确定、电压环限幅确定、PI参数确定、功率因数校核及三敏感性检测5个步骤。

论文对整定方法进行了详细介绍，并通过仿真实例说明了其具体实施步骤、并验证了其有效性。

三相电压型PWM整流器模型三相电压型PWM整流器的主电路拓扑结构如图1所示，网侧电路采用三相对称的无中线连接方式，功率开关管桥路采用三相桥式全控整流电路，IGBT和续流二极管并联作为桥臂开关器件。

ld图1三相电压型PWM整流器主电路结构Fig.lCircuitschematicofthree-phasePWMrectifier文献[12]对三相电压型PWM整流器的数学模型做了详细推导，根据其数学模型，可以得出其双闭环矢量控制的框图如图2所示。

显然，双闭环矢量控制中的核心就是PI控制参数的整定。

图2双闭环矢量控制系统Fig.2Doubleclosed-loopvectorcontrolsystem3参数整定步骤在仿真分析三相电压型PWM整流器各项设计参数变化对其交直流侧动态和稳态响应特性的影响基础上，本文提出了5个规范化步骤构成的参数整定算法，具体如下。

3.1在满负荷下，确定直流侧电压设定的下限以及网侧扼流电感工、直流侧储能电容C的取值范围在选择直流电压时，除了需要满足负载的要求外，还必须满足交流侧电流波形的需要，即要保证交流电流不发生畸变且可控。

如果忽略高次谐波的影响，当系统达到稳定时，直流侧电压Ud。

的下限取决于电压利用率M。

由于Ud。

=√6K。

／M，其中V，为整流器输入端A、B、C点的交流相电压基波分量有效值（x=a、b、c），对于正弦波PWM（SPWM），其电压利用率M≤√影2，对于空间矢量PWM（SVPWM），其电压利用率M≤1，因此有/SPWM:

Udc≥2,EVix

（1）【sVPwM：

%。

≥√6K。

根据图3所示的三相VSR相电压矢量图，可确定出乩。

和网侧相电压有效值U．，（x=a、b、c）之间的关系，如式

（2）和式（3）所示。

（a）整流运行UlxRi/h（b）逆变运行图3三相PWM整流器相电压矢量图（x=a，b，c）Fig.3ACsidevoltagephasordiagramofthethreephasePWMrectifierSPWM：

Ud。

≥2压[（u，+月l厶。

）2+（coLI，）2]j

（2）SVPWM:

Ud。

≥√石[（%,+置，l.）2+（coLI1;）2]j（3）式中I，，——网侧电流的有效值；Rl-网侧电阻。

确定了Ud。

的下限之后，再根据下式来确定三的范围‘9]（2Udc-3Um）UmTs≤三≤2Ude（4）2UdeAimax3L国式中Um——交流侧相电压的幅值；Ts——开关管的开关周期；Im——交流侧电流的幅值；埘——交流侧的角速度；△f。

。

。

——最大允许的谐波电流脉动量。

△f。

。

。

需在满足式（5）的基础上，再根据实际工程要求来设定Aimax>3（2Udc-3Um）UmcoTs（5）Im4U直流侧储能电容C的确定则有点难度。

这个电容的主要作用是稳定直流侧电压，缓冲整流器交流套简单可行、规范化的参数整定方法，它包括L.C的取值范围及直流电压下限的确定、电压环限幅确定、论文对整定方法进行了详细介绍，并通过仿真实例说明了其具体实施步骤、并验证了其有效性。

图1所示，网侧电路采用三相对称的无中线连接方三相电压型PWM整流器主电路结构Circuitschematicofthree-phasePWMrectifier文献[12]对三相电压型PWM整流器的数学模型做了详细推导，根据其数学模型，可以得出其双闭环矢量控制的框图如图2所示。

显然，双闭环矢量控制中的核心就是PI控制参数的整定。

双闭环矢量控制系统closed-loopvectorcontrolsystem在仿真分析三相电压型PWM整流器各项设计参数变化对其交直流侧动态和稳态响应特性的影响基础上，本文提出了5个规范化步骤构成的参数整定算法，具体如下。

在满负荷下，确定直流侧电压设定的下限以及网侧扼流电感工、直流侧储能电容C的取值范围还必须满足交流侧电流波形的需要，即要保证交流电流不发生畸变且可控。

如果忽略高次谐波的影响，当系统达到稳定时，直流侧电压Ud。

的下限取决于电压利用率M。

由于Ud。

=√6K。

／M，其中V，为整流器输入端A、B、C点的交流相电压基波分量有效值（x=a、b、c），对于正弦波PWM（SPWM），其（SVPWM）【sVPwM：

乩。

和网侧相电压有效值U．，（x=a、b、c）之间的关系，如式

（2）和式（3）所示。

（a）整流运行Ulx（b）逆变运行3三相PWM整流器相电压矢量图（x=a，b，c）Fig.3ACsidevoltagephasordiagramofthethreephasePWMrectifierSPWMUd≥压[（u+月l厶。

）2+（coLI，）2]j

（2）√石[（%,+置，l.）2+（coLI1;）2]j（3）I，——网侧电流的有效值；Rl-网侧电阻。

确定了Ud。

的下限之后，再根据下式来确定三（2Udc-3Um）UmTs≤三≤2Ude（4）2UdeAimax3L——开关管的开关周期；Im——交流侧电流的幅值；埘△f。

。

。

——最大允许的谐波电流脉动量。

△f。

。

。

需在满足式（5）的基础上，再根据实际工程要求来设定max>3（2Udc-3Um）UmcoTs直流侧储能电容C的确定则有点难度。

这个电容的主要作用是稳定直流侧电压，缓冲整流器交流第25卷第2期汪万伟等双闭环矢量控制的电压型PWM整流器参数整定69侧与直流侧的能量交换，并抑制直流侧谐波电压。

电压环控制的跟随性与抗扰性指标对这个电容的要求是矛盾的。

-．S从满足电压环控制的跟随性指标看，C应尽量小，以确保整流器直流侧电压的快速跟踪控制。

这时，直流侧电容C应满足Usf扣（6）图4上和c变化时直流侧电压波形Fig.40utputDCvoltageUdcfordifferent三andCvaluestr-直流电压由初始值，即不可控整流电压的平均值跃变到设定值Ud。

所需的上升时间。

而从满足电压环控制的抗扰性指标看，C则应尽量大，以限制负载扰动时的直流电压动态降落。

这时，C>（7）2RLAUdeAUd。

——抗扰性能指标，AUd。

=Ud。

’Ud。

mi。

——直流电压的最小值。

式（6）和式（7）往往没有交集，这就需要根据实际情况，综合考虑直流电压跟随性及抗扰性指标的需求。

下面以一个算例来说明三、C及Ud。

的设定方法及它们的变化对直流侧波形的影响。

算例条件为：

网侧相电压幅值Um=311V，f-50Hz，满载时直流侧的负载等效电阻RL=30Q，网侧电阻R=O.lQ，开关频率为fs=lOkHz。

首先粗略地确定直流电压的下限。

忽略网侧电阻R上的压降，再考虑到实际工程中电感三上的压降不高于网侧电压的30%，根据式

（2）和式（3）可以粗略地估算出Ud。

的下限为SPWM:

Ud。

≥650V，SVPWM:

Ud。

≥563V本文采用SVPWM所以设定Ud。

=600V。

然后根据式（4）和式（6），以及这个基金项目的实际要求，经过仿真微调后，取L=2mH，C=3000yF下面以此为基准，来说明L.C变化对直流侧电压波形的影响。

图4和图5显示出网侧轭流电感三的变化对直流电压及网侧电流波形的影响。

显然三的增大可以减小网侧电流的纹波系数，并有利于功率因数cos舻的提高。

同时，也会使输出直流电压增大，超调量减小。

但相应地，三的增大也减低了系统的动态响应速度，增大了调整时间。

图5L变化时交流侧电压和电流波形Fig.5VoltageandcurrentofphaseAfordifferent三values在参数性能评估中，可重点关注整流状态下直流侧的电压波形。

一般，当直流侧电压波形达到理想状态时，整流和逆变状态下的网侧电流波形都能符合要求。

对于偶尔出现的直流侧电压波形令人满意而网侧电流却出现纹波过大，只需稍微增大厶并相应地微调其他参数即可消除。

直流侧储能电容C对直流电压波形的主要影响是抑制超调和纹波。

增大C，直流电压波形的超调会减小，纹波减小，同时使直流电压稍有升高。

同样，C的增大也会增加系统的调整时间。

测试比较如图4所示。

掌握了L.C对直流侧电压及网侧电流动态响应等的影响，就可以通过三和C的配合来调节直流电压的幅值及其阶跃响应的超调量。

需要说明的是，当动态特性不满足要求时，应先考虑调整PI参数。

只有当调整PI参数达不到目标时，才来微调上和C。

3.2控制器PI参数的影响与选取PI参数的整定是整个参数整定中最重要、也最复杂的一环。

当三、C基本确定后，第二步就是PI控制器的参数选取。

对直流电压波形的调整主要通过调节PI参数来完成。

在工程中，d、q轴电流的两个PI调节器的参数往往取为相同，因此实际只需要确定两组PI参数，即电流环的Kip、Kii和电压环的Kup、Kui。

我们用文献[8]和文献[9]的下述公式，可以作为PI参数的试探初值，更为关键的环节是，如何根据其输一凝ql叫}}埘}『吣}}瞅默讯颤AfpDJ1|{．JJ8～g一一∞一●一o州瓣矿IIII爿"一一赂滁㈣研dJd叶l8500776c两≤C汪万伟等侧与直流侧的能量交换，并抑制直流侧谐波电压。

电压环控制的跟随性与抗扰性指标对这个电容的要求是矛盾的。

-．S从满足电压环控制的跟随性指标看，C应尽量f扣4上和c变化时直流侧电压波形Fig.40utputDCvoltageUdcfordifferent三andCvaluestr-直流电压由初始值，即不可控整流电式（6）和式（7）往往没有交集，这就需要根下面以一个算例来说明三、C及Ud。

的设定方法及它们的变化对直流侧波形的影响。

算例条件为：

网侧相电压幅值Um=311V，f-50Hz，满载时直流侧的负载等效电阻RL=30Q，网侧电阻R=O.lQ，开关频率为fs=lOkHz。

首先粗略地确定直流电压的下限。

忽略网侧电阻上的压降，再考虑到实际工程中电感三上的压降不高于网侧电压的30%，根据式

（2）和式（3）可以粗略地估算出Ud。

的下限为SPWM:

Ud。

≥650VSVPWM:

Ud。

≥563V的实际要求经过仿真微调后取L=2mH5显示出网侧轭流电感三的变化对直显然三的增大可以减小网侧电流的纹波系数，并有利于功率因数cos舻的提高。

同时，也会使输出直流电压增大，超调量减小。

但相应地，三的增大也减低了系统的动态响应速度，增大了调整时间。

5L变化时交流侧电压和电流波形VoltageandcurrentofphaseAfordifferent三values在参数性能评估中，可重点关注整流状态下直流侧的电压波形。

一般，当直流侧电压波形达到理想状态时，整流和逆变状态下的网侧电流波形都能符合要求。

对于偶尔出现的直流侧电压波形令人满意而网侧电流却出现纹波过大，只需稍微增大厶并相应地微调其他参数即可消除。

直流侧储能电容C对直流电压波形的主要影响是抑制超调和纹波。

增大C，直流电压波形的超调会减小，纹波减小，同时使直流电压稍有升