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基于重复控制的低开关频率PWM整流器的电流控制策略研究

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基于重复控制的低开关频率PWM整流器的电流控制策略研究 摘要:在论述重复控制的工作原理并进行稳定性和稳态误差分析的基础上，本文提出了一种改进的基于重复控制的复合电流控制策略。该策略充分考虑了低开关频率对系统性能的影响，采用提高采样频率的方法，抑制了低开关频率对补偿效果的影响，实现了无稳态误差控制，抑制输入电流的周期性谐波，改善了其波形质量。仿真和实验证实这种控制策略是有效可行的。 关键词：重复控制，低开关频率，采样频率，PWM整流器 Research on Current Control of Low Switching-Frequency PWM Rectifier Based on Repetitive Controller

Abstract: After studying on the principle of the repetitive controller, the theoretic analysis of stability and steady-state error, the paper proposed a compound current control strategy with a improved repetitive controller. Considering the effect of the low switching frequency on the performance of the system, the strategy increased the sample frequency, restrained the influence of low switching frequency, achieved zero steady-state error, suppressed the periodic harmonic in the AC current, and improved the wave quality. The simulation and experiment proved that this control strategy was effectual and feasible. Key words: Repetitive controller, Low switching frequency, Sample frequency, PWM rectifier 1. 引言 单相电压型PWM整流器具有四象限运行、输出直流电压稳定可调、输入侧电流正弦化以及单位功率因数等优点，应用广泛[1,2]。PWM整流器的关键是输入电流的控制，其控制策略一直是国内外的研究热点。但是随着PWM整流器功率变大，器件承受的电压升高，开关损耗也随之加大，为提高整流器的输出功率，需要降低脉宽调节的开关频率。而开关频率的下降，数字信号处理过程的采样频率下降造成的延迟，将对电流控制的动态性能造成不利的影响[3]。电流控制策略中最常用的PI控制无法消除输入电流的谐波，输入电流始终存在一定的畸变，因而重复控制对周期性干扰的抑制能力得到大家极大的关注，国内外已经有许多将重复控制应用在整流器中的研究文章。但是大多数的论文都是集中在较高的开关频率时的电流控制策略上，而在低开关频率大功率的场合涉及很少。 在分析重复控制稳定性和稳态误差的基础上，本文将重点研究开关频率对控制系统的影响，并在此基础上提出了在低开关频率大功率PWM整流器中基于改进的重复控制器的电流控制策略。本文在MATLAB中分别对常规PI调节和复合控制的控制方案进行建模仿真以及比较，并在基于TMS320F28335的80kVA电力机车辅助变流器系统上的单相PWM整流器中进行物理实验验证。 2. 单相PWM整流器的工作原理 单相PWM整流器主电路的拓扑结构图如图1所示。假定图1中的功率开关管为理想开关，无功率损耗和能量存储，方便单相PWM整流器数学模型的建立。

RC

S1

S2S3S4ab

LdcIdcU

siabuLR

su

图1 单相PWM整流器拓扑结构图 输入侧电压和输出侧电流平衡方程：

ssabs

dcdcdc

L

diuuRiLdtdUUICdtR





(1)

定义一个开关函数S，根据式(1)可以得到单相PWM整流器的状态方程： sssdc

dcdcs

L

diLuiRSUdtdUUCSidtR





(2)

式(2)给出了输入电流si与输出直流电压dcU的变化规律，依此采用合适的控制策略对系统进行控制。 3. 重复控制的基本原理 重复控制是一种基于内模原理的波形控制技术，当内模中的数学模型描述的是周期性的信号时，那么闭环控制系统就能够无静差地跟踪周期信号。重复控制内模的输出将送入补偿器中，补偿器的主要任务是从内模获得上一个基波周期的误差信号，然后给出这个基波周期的补偿信号以将控制量的误差抵消掉。重复控制器由一个改进的内模和对应的补偿器构成，重复控制系统的控制框图如图2所示。

重复控制理想内模的离散形式为()1NNzGzz，N为一个周期采样次数。理想的重复控制器可以消除任意次谐波，可以对小于采样频率的1/2以下的任意次谐波进行无差跟踪，但系统处于临界振荡状态，稳

定性较差。通常使用改进的内模，即用NQz代替Nz来增大系统的稳定性，也即()1NNzGzQz。Q可为小于1的常数，也可以为具有低通性质的函数。 补偿器kz()MSz是针对对象()Pz的特性而设置的，对重复控制系统的性能有决定性影响。补偿器对控制器的补偿可分为幅值补偿和相位补偿，补偿的目标是使得系统在中低频段获得单位增益，增加系统的稳定裕度，实现稳态时无静差输出。相对而言，相位补偿比幅值补偿困难，相位补偿意味着针对误差的每一个频率分量都要给出合适的控制量。因为()Pz无法精确地描述实际系统，实际与所建模型总有一定的偏差，这样幅值补偿、相位补偿效果就要受影响。

+-*rrQeNzNzMKzSz内模1z++

+

+

d

()repGzPz

图2 重复控制系统的控制框图 由图2可以得到重复控制器()repGz的表达式：()()1NMrepNzGzKzSzQz。式中，sfNf，sf为PWM

整流器的采样频率，f为网侧电压的基波频率；()MKZSz为补偿器。 电流环控制的是PWM整流器交流侧滤波电感上的电流，忽略内阻R的影响，采用零阶保持器对电流环的被控对象进行离散化，可得到被控对象的离散形式为：

1()111()(1)[]11ssTPsPzzZsLzfLz

 (3)

滤波电感一侧是输入电压，另一侧是整流桥产生的PWM电压。其中，PWM电压指令值在每个采样周期定时更新，并在接下来的一个采样周期中保持不变，产生的PWM电压平均值与这个指令值相等。因此，可以将PWM环节等效于一个延时环节。 4. 稳定性分析和稳态误差分析 根据图2可以得到重复控制系统的闭环传递函数： 111()()()()()()1()()1()()repreprepGzzPzPzrzrzdzGzzPzGzzPz

 (4)

对其进行稳定性分析，令()0dz，可以将传递函数改写成： 1111()()()()()()1()()()()()MrepNMrepGzzPzrzkzSzzPzrzGzzPzzQkzSzzPz

 (5)

其特征方程为 10NMzQKzSzPzz



 (6)

只有当式(6)的特征方程所有的特征根都在单位圆内，才能保证重复控制系统的稳定性。利用控制理论的小增益原理可以得到，重复控制系统稳定需满足的一个充分条件是： (1)()1jMTjTjTjTQeKzSePe （7）

根据式(5)可以看出，系统的传递函数是一个N阶的方程，其中sfNf，N的值随着sf的值变化，以采样频率为例，sf为10KHz时，N将达到200。此时，控制系统的传递函数可以表达成下列形式： 121211()()()()()()kkssksckksksbTzbTzbTGzzaTzaT

 (8)

其中，1ssTf为采样周期。 用状态空间描述控制系统[4,5]，根据现代控制理论可以知道，如式（8）的传递函数的状态空间表达式可以表示如下：

1()()cddGzDCzIAB (9)

其中，A，B，C，D是系统状态空间矩阵，()sATdsATe，0()()sTAdsBTedB。 根据泰勒级数，sATe可以表达为： 22()()2!3!sATsssATAT

eIAT (10)

采样周期sT非常小，远小于1，式（10）可近似为： sATdsAeIAT (11)

根据式（11），可以明显看出，矩阵dA与sT成线性关系变化。因此，也就是说数字系统闭环传递函数的特征根与采样周期sT成线性关系[4]。根据式(6)的特征方程式知道，所有的特征根都在单位圆内时才能保证重复控制系统的稳定性。因此，可以得到这个结论：系统的采样周期对系统的稳定性有很大的影响。 系统的稳态误差直接对应着波形畸变，对稳态误差进行分析，主要考虑干扰项对系统的影响。因此，

将式（4）中电流环的传递函数改写成干扰项dz和误差项ez的传递函数，即：

111()()()()1()()1()()reprepPzezrzdzGzzPzGzzPz (12)



1ez()NMNzQdzzQKzSzPzPzz





(13)

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大学方案三相电压型PWM整流器研究报告

大学方案三相电压型PWM整流器研究报告

随着社会的高速发展，电能在工农业生产和人民日常生活中发挥着起来越重要的作用，然而与之同时与国民生产生活密切相关的电力电子换流装置，如变频器、高频开关电源、逆变电源等各种换流装置在广泛的运用中给电网带来了大量的无功功率与严重的谐波污染。

随着电力电子技术的发展，具有网侧电流接近正弦波、功率因数近似为1、直流侧输出电压稳定、抗负载扰动能力强并且能够在四象限运行的PW整流器应运而生，成功地取代了不可控二极管整流器和相控的晶闸管整流器，并成为电力电子技术研究的热点。

本言研究的主要对象就是应用最为广泛的三相电压型PWM整流器。

首先，本文介绍了 PWM S流器研究的背景与意义，综述了 PWM技术的发展及现状，引出了三相电压型 PWM8流器，并分析了三相电压型 PWM6流器的工作原理，并在此基础上建立了其在ABC三相静止坐标系、d-q同步旋转坐标系和：•-［两相静止坐标系三个不同坐标系下的数学模型。

其次，本文对PWM S流器的电流控制策略进行了深入的研究，分析了间接电流控制和直接电流控制的优缺点，确定了采用直接电流控制，并对双闭环控制器及PWM整流器主回路参数进行了系统的设计；引入了电压空间矢量，阐述了空间电压矢量控制的控制算法。

最后，本文在理论分析的基础上，利用MTALAB提供的电力电子工具箱，在Simuink仿真环境下建立了三相 VSR型PWM8流器主回路及控制器的模型并进行了仿真实验，通过对仿真结果的分析，表明了该方案能够满足网侧电流近似正弦和高功率因数的要求，验证了方案的正确性和可行性。

关键词：三相电压型 PWM S流器；直接电流控制；双闭环控制；电压空间矢量PWM Matlab 仿真ABSTRACTWith the rapid development of modern society,the power in modern industry plays an in creas in gly importa nt role,but in the n ati onal product ion and life are closely related with thepowerelectronic converter devices,such as the frequency converters,high-frequency switching power supplies,power inverters and other various converters the use of the device will give our power grid to bring a lot of unfavorable factors,such as a large amount of reactive power and harmonic,low power factor,or even cause severe electromagnetic pollution,resulting in the use of other equipments are not normal in same network.With the developme nt of power electro nica ndPWMtech no logy,therectifierhasthecharacteristicsofhighpowerfactor,harm on icmi nor,DCoutput voltage stability and hasoperatein the four-quadrant,etc」t becomes a green power conv ersi on device.Therefore,the main research subject of this paper is the three-phase voltage source PWM rectifier.Firstly,the article introduces the background and significanee of the PWMrectifier'sresearch,overviews PWM tech no logy's developme nt history and status,raises the three-phase voltage source PWM rectifier,a nd an alysed the worki ng prin ciple of three-phase voltage source PWM rectifier,on this basis established its mathematical model on ABC static coord in ate system,d-q synchronous rotati ng refere nee frame and : - 一 two-phase static coord in ate system three differe nt coord in ate system ,inadditi on.Secondly,this article researches current control strategy of PWM rectifier in depth,a nalyses the shortco ming and adva ntagebetwee n in direct-curre nt con trol and direct current control, make a decision of employment of direct current control based on fixed switch ing freque ncy,a nd systematic desig ns parameter of double closed loop con troller and PWM converter main circuit parameters.Bring in Voltage Space Vector ,and overview the arithmetic of itFin ally,I n the foun dati on of theory an alysis ,us ing Power Electric toolbox offered by MATLAB to finish the simulation experiment under Simulink environment and to verify systematic exact ness and feasibility by an alys ing the simulatio n results.Keywords: Three-phase Voltage Source PWM Rectifiers。

单相PWM整流器直接电流控制策略的研究

单相PWM整流器直接电流控制策略的研究

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皇王研霾一 盥ｌ
单相Ｐ Ｗ Ｍ整流器直接 电流控制策 略的研究
唐 山轨 道客 车有 限责任公 司 张荣佳
和 展 望 了单 相 ｐ ｗＭ整 流 器 直 接 电 流 控 制技 术 的 发 展 趋 势 。 【 关 键 词 】单 相 Ｐ ＷＭ 整 流器 ；直 接 电 流 控 制
波 。
图４ 平 均 电 流 控 制 原理 图
３ ． ４ 预 测 电路控 制 预 测 电流控 制的 原理 是在 每 个调 节周 期开 始 时通 过对 输 入 、输 出 电压 和输 入 电 流 的采样 ，根 据 实际 电流 和参 考 电流 的误 差 ，选择 优 化 的 电压矢 量 作用 于 下一 个周 期 ，使 实 际 电流在 一个 周 期 内跟 踪上 参考 电流 ， 实 现 稳 态 无 误 差 。 预 测 电 流 控 制 原 理框 图如 图５ 所 示 ，其 中 为给 定 电压 ， 为 直 流 侧 反 馈 电 压 。这 种 控 制 的 优 点 ：开 关频 率 固定 ， 动态 性 能 良好 ， 电流 谐 波 小 ， 器 件 开 关 应 力 小 ， 数 字 实 现 简 单 。缺 点 ：要 求较 高 的采 样频 率 和开 关 频 率 ，在低 的采样 频 率 下 ，会产 生 周期 性 的 电流 误 差 。
杂嘲。
图２ 峰 值 电 流 控制 原 理 图
峰值 电流 的优 点 ：① 暂态 闭环响 应 较 快 ，对 输入 电压 的变化和输 出负载 的变 化的 瞬态 响应均快 ；② 控制环 易于设计 ；③输 入 电压 的调整可 与电压模式控 制的输入 电压前 馈 技 术相 妣 美 ；④ 简单 自动 的磁 通平 衡 功 能 ；⑤ 瞬 时 峰值 电流 限流 功 能 ，即 内在 固 有 的逐个 脉 冲 限流 功 能 ；⑥ 自动 均流 并 联 功 能 。缺 点 有 ：① 占空 比大 于５ ％ 时 开环 不 稳 定 性 ， 峰 值 电 流 与 平 均 电 流 的 误 差 难 以 校 正 ；② 闭环 响应 不 如平 均 电流 模 式控 制 理 想 ；③ 占空 比大 于０ ． ５ 时系 统产 生次 谐波 振 荡 ；④ 对 噪声 敏 感 ，抗 噪 声性 差 ；⑤ 电 路 拓 扑 受 限制 ；⑥对 多路输 出电源 的 交互 调节 性能不好 。 ３ ． ２ 滞 环 电 流 控 制 滞 环 电流 控制 方 式 作为 峰值 电流控 制 方 式 的 改进 ，只是 增加 了一 条 限制 电流 衰 减 的下 限 。其 原理 仍 然是 指 令 电流 和 实际 电流 的 实时 值 比较 ， 实 际 电流达 到 上 限指 令 电流 ，随 即转 入 衰减 ，衰 减至 下 限指 令 电流 ， 重新 开始 上 升 ， 如此 反复 ，实 际 电 流 将 是一 条 在上 下限 指令 电流跳 动 的锯 齿
整流与滤波集成的PWM变流器的重复学习Boost变换控制

整流与滤波集成的PWM变流器的重复学习Boost变换控制

整流与滤波集成的PWM变流器的重复学习Boost变换控制查晓明, 孙建军，宫金武（武汉大学电气工程学院，湖北 武汉 430072）摘要：本文建立了一种基于重复学习Boost变换控制的电压型PWM整流器模型。

通过基本的电流反馈式PWM整流电路的分析，整流电压的稳定控制可等效地调节交流侧电流来控制，从而可采用PWM信号的载波幅值调节实现整流电压的稳定控制；通过重复学习Boost变换控制实现电力系统谐波电流的补偿。

通过三相PWM整流器系统的仿真证实了该控制策略的正确性。

关键词：PWM整流器，单位功率因数，重复控制，Boost变换1 引言在工业电力系统中，通常存在各种大容量电力电子变流装置并联运行工况，如钢铁企业中的轧机、高压电机的变频调速以及同步辐射装置的直流供电系统等，均存在多台二极管不可控整流电路或晶闸管相控整流电路的并联运行情况，因而对电网注入了大量谐波电流及无功功率，造成了严重的电能质量问题。

解决这个问题的常用方法是通过在电力系统侧加装无源或有源滤波器方式来抑制谐波和补偿无功。

解决该问题的另一方案是由PWM整流器部分取代并联运行的二极管整流器或晶闸管整流器[1]，PWM整流器在这里既充当整流器为负荷提供直流电压，又起到有源滤波器作用抑制系统谐波电流和补偿无功功率。

PWM整流器与有源滤波器具有基本相同的电路结构，因而可以通过适当的控制方法在PWM整流器中将两者功能统一起来。

由于系统参数变化、控制和测量的不精确以及变流器本身的非线性，需要施加一定的控制策略确保系统在任何摄动下仍能输出稳定的直流电压，同时满足系统稳定性、鲁棒性、跟踪速度及稳态误差的要求。

本文采用重复学习Boost变换控制方法，利用其中的恒频Boost变换控制实现PWM整流器直流输出电压的稳定控制，同时实现PWM整流器的单位功率因数控制，根据此时电压电流波形严格同相位特点，提取系统电流谐波分量并采用重复学习控制方法调整PWM控制信号，即可实现系统谐波电流的补偿功能。

可逆PWM整流器及其控制策略研究的开题报告

可逆PWM整流器及其控制策略研究的开题报告

可逆PWM整流器及其控制策略研究的开题报告一、选题背景随着电力负荷的日益增加和新能源的不断发展，电力系统的稳定性和可靠性越来越受到关注。

其中，电力电子技术应用于电力系统中已成为不可或缺的重要组成部分。

在众多电力电子设备中，PWM整流器是应用最为广泛的一种。

目前，PWM整流器被广泛应用于直流电源、电焊机、UPS、风力发电机组等领域，具有效率高、输出精度高、控制方便等优点。

然而，PWM整流器在实际使用中会存在很多问题。

例如，对于交流电源输出的PWM整流器来说，其输出电压的纹波较大，同时在停电或逆变器故障时还会出现反电动势，导致PWM整流器的输出电压无法稳定。

针对这些问题，可逆PWM整流器被提出，并得到了广泛应用。

二、选题意义可逆PWM整流器是一种能够兼顾逆变和整流功能的电力电子装置，具有精度高、控制简便、输出稳定等优点。

因此，在逆变器和整流器都需要的电力系统中，可逆PWM整流器将成为一种理想的选择。

然而，目前对于可逆PWM整流器的研究仍相对较少，特别是其控制策略的研究仍较为浅显。

因此，对可逆PWM整流器及其控制策略进行深入研究，不仅可以增进对该器件的理解，更可以为实际电力系统的设计和优化提供有力的理论支持。

三、研究内容和方法本研究将主要围绕可逆PWM整流器及其控制策略展开研究，旨在探究可逆PWM整流器的特性及其优化控制。

具体内容和方法如下：1. 研究可逆PWM整流器的基本结构和工作原理，分析可逆PWM整流器的电路特性。

2. 研究可逆PWM整流器的控制策略，并设计基于PID控制的PWM 整流器控制器，建立仿真模型进行验证。

3. 探究可逆PWM整流器在不同负载下的性能，利用Matlab/Simulink软件进行仿真分析，分析不同工作条件下可逆PWM整流器的输入电流、输出电压、转速等指标变化情况。

4. 针对可逆PWM整流器输出电压纹波和反电动势的问题，提出相应的解决方案，并进行仿真分析。

四、预期结果和意义通过对可逆PWM整流器及其控制策略的研究和仿真分析，预计可以得到以下结果和意义：1. 能够深入了解可逆PWM整流器的特性及其电路结构，对PWM整流器的实际应用具有指导意义。