基于重复控制方法的三相P WM整流器控制策略研究

通镌电．潦狻】Ｉ：　２０１４年５月２５日第３１卷第３期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｙ　２５，２０１４，Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．３　文章编号：１００９—３６６４（２０１４）０３—００１７—０３　ｌ　萎　基于重复控制方法的三相ＰＷＭ整流器控制策略研究　高学军，李克成，佘小莉　（三峡大学，湖北宜昌４４３００２）　摘要：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。　关键词：三相ＰＷＭ整流器；重复控制；周期性干扰　中图分类号：ＴＮ８６　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ　Ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　Ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｅｔｈｏｄ　ＧＡｏ　Ｘｕｅ－ｊｕｎ，ＬＩ　Ｋｅ－ｃｈｅｎｇ，ＳＨＥ　Ｘｉａｏ－１ｉ　（Ｃｈｉｎａ　Ｔｈｒｅｅ　Ｇｏｒｇｅｓ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙｉｃｈａｎｇ　４４３００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｔｈａｔ　Ｐ１　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｈａｒｄｌｙ　ｒｅｓｔｒａｉｎ　ｔｈｅ　ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ，ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏ１　ｍｅｔｈｏｄ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏ１　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　ＩＸ；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—　ｔｉｏｒＬ　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ　ＰＷＭ　ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ　ｒｅｐｅｔｉｔｉｖｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｐｅｒｉｏｄｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　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控制ｌ１］。电　压外环和无功电流内环控制器多采用ＰＩ控制器，ＰＩ　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ＰＷｌＶｌ整流器数学模型分析　１．１同步旋转坐标系下三相ＰＷｌＶｌ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。　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　收稿日期：２０１４－（）２—１８　基金项目：三大国智恒研究生创新基金（编号：ＨＢＧＺＨ一　２０１２０７）　图１三相ＰＷｌＶｌ整流器电路原理图　作者简介：李克成（１９８９一），男，湖北宜昌人，硕士研究生，研究　方向为电力电子在电力系统中的应用。　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　・１７・　通毪电．潦技ｊ－：　２０１４年５月２５日第３１卷第３期　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｙ　２５，２０１４，Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．３　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［　。　ｆ　ｌｃ％　一号（ｒ｜　　ｓ　＋　ｄＳｄ）一　Ｌ　＋３（　ｄ＋Ｒｉ　ｑ一　ｑ～　ｄ　ｓｑ　（１）　　ｌＬ　一３正　ｑ＋Ｒｉｄ—Ｖｄ一７２ｄ。朝　ｌ　Ｕ　式中，　为角频率；ｉｄ、ｉ。、Ｕａ、Ｕ。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；Ｓ　、Ｓ　、Ｓ。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。　ｓ　Ｉ　［　］ｃ＝｝１　＝Ｒ［　图２三相ＰＷｌＶｌ整流器在旋转坐标系下的等效电路　１．２三相ＰＷｌＶｌ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、，　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Ｌ５］（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Ｃ　（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，Ｋ～为调制比例系数，　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ｌ＿６ｊ，这里可以设置其为Ｑ（　）＝（１＋　。＋　ｚ）／４；设置复合控制器的离散域的传递函数为式（２）。　．，～、　，　、　—　（ｚ）＝＝＝　一　＋Ｃ　（　）　（２）　，　ｚ，　１一　＼ｚ，ｚ　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Ｇ。（　），变换结果如式（３）所示。　匝谯屯潦技】．：　２０１４年５月２５日第３１卷第３　高学军，等：基于重复控制方法的　三相ＰＷＭ整流器控制策略研究　Ｔｅｌｅｃｏｍ　Ｐｏｗｅｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｍａｙ　２５，２０１４，Ｖｏ１．３１　Ｎｏ．３　１ｏ０　５０　鼍—０　５Ｏ　１０ｏ　仨　图丽１（Ｒ５一ＴＱ（　ｚ混　＋（）合ｚ　２）控Ｌ　）制＋器．　。（框ＫＲ图Ｔ１　一Ｋｚ２－Ｌ　ｚ）－　－（…３）　Ｋｍ　Ｇ　（　）Ｐ　（　）　０．４　Ｏ．４２　０．４４　０．４６　ｔ／ｓ　０．４８　０．５　图７采用混合控制器时的输入电流和直流母线波形　１＋Ｋ却Ｇ　（ｚ）Ｐ自（ｚ）　其中Ｋ　和Ｋ　分别为ＰＩ控制器ＰＩ控制参数之和　以及ＰＩ参数之差，丁为采样周期。闭环系统特征方程　为１＋Ｋ—Ｇ。（　）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。　Ｆ（ｚ）一［Ｋ２Ｑ（ｚ）一（１一丁＋　）Ｃ　（　）］ｚ一　一Ｋ２　２『Ｉ　（４）　根据对三相ＰＷＭ整流器数学模型的分析，可以　６　６　６　容易得到ｑ轴和ｄ轴闭环系统的闭环传递函数。由于　４　０　６　２　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　Ｆ，直流　负载２５　Ｑ。在输人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。　００　５０　≤　０　５０　００　６５１　６５０　６４９　４６８　０　图６采用ＰＩ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：　［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ｆｊ］．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．　Ｅ３］徐德鸿．电力电子系统建模及控制ＥＭ］．北京：机械工业　出版社，２０１１．　Ｅ４］李俊林．单相逆变器重复控制和双环控制技术研究Ｉ－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ＥＪ］．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），２０１１，４ｌ（４）：　７５０—７５６．