CN109687740A - 三相pwm整流器比例复数积分控制技术 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三相PWM整流器比例复数积分控制技术领域。整个整流电路由四大部分组成：主电路1、电流环控制电路2、电压环控制电路3以及锁相环电路4。主电路中的PWM整流器经过交流电源和PWM波形发生器5触发工作，由电流环2和电压环3双闭环控制。电压型PWM整流器要控制的数值在于整流器的输出电压和整流器输入电流，前一个要求平稳的导出控制，后一个跟随输入电压的相位。锁相环4采用低通滤波。本发明为解决传统PI控制无法消除并网交流电流稳态误差问题，采用由PCI控制的电流环获得了优异的整流效果。

Description

三相PWM整流器比例复数积分控制技术

技术领域

本发明属于电力电子控制领域，具体涉及三相PWM整流器比例复数积分控制技术。

背景技术

目前，在风能、太阳能、潮汐能等可再生能源发电技术高速发展情形下，如何将这些能源所产生的变动的低质量电能转化成可供应给电网的固定的高质量电能，成为现在研究的热点。提升电能质量的关键点是整流，针对早年整流电路中的二极管不具备受控的能力、能量传递方向单一以及相控值晶闸管易引入谐波问题，三相PWM整流器应运而生。考虑三相PWM整流器在获取高性能电能时需要给负载并联高效滤波大电容，工作时存在的死区会扩大输入电流的谐波畸变以及对整流器在输入交变电流时存在稳态误差的问题，对传统PI控制做改进，采用PCI控制提升了电能质量。

发明内容

本发明提供了一种三相PWM整流器比例复数积分控制技术。其特点在于三相PWM整流器双闭环控制中的电流环控制电路设计，解决了传统PI控制无法消除并网交流电流稳态误差问题，并消除了αβ坐标系下三相PWM整流器数学模型的耦合性，实现无静差控制。基于比例复数积分控制的三相PWM整流器不仅可以提升电能质量，还可以简化系统控制结构。

为达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

本发明主电路中的PWM整流器经过交流电源和PWM波形发生器5(见图4)触发工作，控制电路由电流环2和电压环3双闭环控制实现。电压环控制电路3由要求输出的稳定直流电压与实际整流输出电压做差值做电压环3输入，将交流电源的输入电流经Clarke变换模块(见图3)变换与电压环的输出做差做电流环2的输入，电流环2的输出经Clarke反变换模块变换输送到PWM波形发生器5，在交流电源输入信号前采用基于低通滤波的锁相环4设施。

本发明针对传统PI控制无法消除并网交流电流稳态误差问题，基于基尔霍夫定律对三相PWM整流器进行数学建模，将得到的数学模型进行两相静止αβ坐标变换，并分析在两相静止αβ中数学模型特性，实现电流环2基于PCI控制设计。

本发明为实现实时性控制，针对电网电压扰动和αβ坐标系下三相PWM整流器数学模型的耦合性，采用了一种前馈解耦控制方法Clark变换。

电流环控制控制结构的搭建首先要设计控制参数。针对其传递函数G(s)＝k_p+k_i/(s-jω₀)中的比例系数k_p和k_i进行设计，从比例系数k_p开始设计，为了确保使整流系统拥有十分快速的响应速度，而且于此在相同时间内尽量减小噪音，整流系统根据考虑必须选择超越基波频率10倍和低于开管频率的1/5,根据这些要求次整流系统选择的系统频率带宽范围为500＜f_b＜2000。

系统的控制传递函数为：

系统的幅频特性表达式为：

仅仅考虑比例系数k_p时，整流系统的死循环幅频特性表达式为：

故由系统频率带宽的定义知：当系统控制幅频特性的幅值降到-3dB时对应的频率值为ω_b，而此时0-ω_b的频率规模就是系统的频率的带宽。在此PCI控制中将选择的系统频率带宽为f_b＝650Hz即ω_b＝4100rad/s,将ω_b的值带入整流系统的死循环幅频特性表达式中可得k_p＝0.01。

k_i设计，加入k_i以后系统的频率宽带将会发生变化，但是为确保系统频率宽带在设计要求范围内，在此选择f_b＝690Hz即ω_b＝4330rad/s。并将ω_b值带入系统的幅频特性表达式后可得k_i＝100。

根据复变函数理论可知，j代表幅值不变，相位正向旋转90°。在三相系统中，利用αβ坐标系变换，对系统传递函数：

整理得：

(s-jω₀)y＝k_p(s-jω₀)x+k_ix

有复变函数关系理论得：

αβ坐标系下：

本发明电压环是为稳定直流电压，通过分析电压环开环结构，简述电压环PI参数整定方法。

本发明三相交流输入相电压采用220V交流电源供电，频率为50Hz，每相输入功率因数不低于0.99。

本发明PWM开关频率为10kHz。

本发明基于低通滤波的锁相环是使用低通滤波器扼杀电网电压的谐波，将三相电压从三相静止坐标系转变化为两相静止坐标系，再使用三角函数公式计算角度信息，导出锁相功能。本发明针对一类带有不确定性和变时滞的混沌系统的同步控制问题，提出一种不确定变时滞混沌系统的全局鲁棒滑模同步控制方法，该方法设计过程简单清晰，并且能取得良好的同步控制效果。

本发明的优点

本发明涉及一种三相PWM整流器比例复数积分控制技术，相比与传统PI控制，PCI控制下的系统结构更简化，将实域控制变为复域控制，可以实现频率为ω＝ω₀时最优控制，实现系统的最大增益，并且传统PI控制做不到这点。相比于PR控制，PCI控制实现简单，PR控制器的传递函数则可以达成在交流给定量和扰动量频率ω₀和-ω₀处的零稳态误差控制，并且在这两个频率点都具有无穷增益的特征。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1电流环控制结构图

图2整流电路控制结构图

图3Clarke坐标变换模块图

图4PWM波形发生器

图5整流器输出直流电压仿真波形图

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。

参见图1，为电流环控制结构图，控制结构的搭建首先要设计控制参数。针对其传递函数G(s)＝k_p+k_i/(s-jω₀)中的比例系数k_p和k_i进行设计，从比例系数k_p开始设计，为了确保使整流系统拥有十分快速的响应速度，而且于此在相同时间内尽量减小噪音，整流系统根据考虑必须选择超越基波频率10倍和低于开管频率的1/5,根据这些要求次整流系统选择的系统频率带宽范围为500＜f_b＜2000。

系统的控制传递函数为：

系统的幅频特性表达式为：

仅仅考虑比例系数k_p时，整流系统的死循环幅频特性表达式为：

故由系统频率带宽的定义知：当系统控制幅频特性的幅值降到-3dB时对应的频率值为ω_b，而此时0-ω_b的频率规模就是系统的频率的带宽。在此PCI控制中将选择的系统频率带宽为f_b＝650Hz即ω_b＝4100rad/s,将ω_b的值带入整流系统的死循环幅频特性表达式中可得k_p＝0.01。

k_i设计，加入k_i以后系统的频率宽带将会发生变化，但是为确保系统频率宽带在设计要求范围内，在此选择f_b＝690Hz即ω_b＝4330rad/s。并将ω_b值带入系统的幅频特性表达式后可得k_i＝100。

根据复变函数理论可知，j代表幅值不变，相位正向旋转90°。在三相系统中，利用αβ坐标系变换，对系统传递函数：

整理得：

(s-jω₀)y＝k_p(s-jω₀)x+k_ix

有复变函数关系理论得：

αβ坐标系下：

参见图2，为电压环控制结构图，电压环控制的目的就是为了获得一个平稳的直流侧电压v_dc，故其控制系统设计时，要以削弱不利因素为中心。Ⅱ型系统设计对恒值给定能够达成无静差跟踪，是以按Ⅱ型系统设计电压环。经过对电压环PI调节器参数设定，搭建电压环控制结构图。

Claims (2)

1.三相PWM整流器比例复数积分控制技术设计，其特征在于整个整流电路四大组成部分：主电路1、电流环控制电路2、电压环控制电路3以及锁相环电路4。主电路中的PWM整流器经过交流电源和PWM波形发生器6触发工作，由电流环2和电压环3双闭环控制。电压型PWM整流器要控制的数值在于整流器的输出电压和整流器输入电流，前一个要求平稳的导出控制，后一个要求跟随输入电压相位，电流环采用PCI控制实现电流的无静差的控制，锁相环4采用低通滤波。

2.根据权利要求书1所述的三相PWM整流器比例复数积分控制技术，其特征在于，所述的比例复数积分控制，是指对双闭环中的电流环控制电路。通过对αβ交流电流量的采集，在PCI的复域控制下，输出αβ交流电压量，经过Clarke反变换，输入到PWM波形发生器。