己口ｌ ７年１月 第了５卷第１期 理论与方法 双闭环解耦附加ＰＩ控制策略的仿真研究＊ 王瑜瑜刘少军 （西安航空职业技术学院西安７１００８９） 摘要：针对在 ｑ坐标系下电流型ＰＷＭ逆变器数学模型的非线性、耦合性的特点，设计了双闭环解耦附加ＰＩ的控制策略。 首先分析了系统的构成及原理，接下来对ＰＷＭ逆变器的数学模型和双闭环解耦附加ＰＩ控制策略进行详细介绍。最后在 ＭＡＴＩＡＢ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ软件中对系统转速、电压电流、有功功率、无功功率及功率因数进行了仿真。仿真结果证明：该控制策略 不仅能够实现平滑无极调速，而且能够达到提高功率因数、消除谐波及节能的目的。 关键词：ＰｗＭ；逆变器；控制策略；ＭＡＴＬＡＢ 中图分类号：ＴＮＯ１ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５１０．８０２０ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｄｏｕｂｌｅ－ｒｉｎｇ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ Ｗａｎｇ Ｙｕｙｕ Ｌｉｕ Ｓｈａｏｊｕｎ （Ｘｉ’ａｎ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ ７１００８９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ａｎｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅＩ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｎ ｄｑ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｒｏｔａｔｉｎｇ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ，ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ—ｒｉｎｇ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ｔｈｅ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＰＷＭ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｏｕｂｌｅ ——ｒｉｎｇ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ＰＩ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｗｅｒｅ ｄｅｔａｉｌｅｄｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｓｐｅｅｄ，ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔ， ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ，ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｗｅｒｅ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＭＡＴＩＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｎｏｔ ｏｎｌｙ ｃｏｕｌｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｓｍｏｏｔｈ ａｎｄ ｓｔｅｐｌｅｓｓ ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ，ｂｕｔ ａｌｓｏ ｃｏｕｌｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ，ｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎｄ ｓａｖｉｎｇ ｅｎｅｒｇｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＷＭ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ；ＭＡＴＬＡＢ １ 引 言 由于水泵和风机类负载在我国覆盖范围广、耗电量 大，因而研究此类大功率负载的调速节能技术具有重要的 损耗也会增加。因此，本文设计了电流型ＰＷＭ串级调速 系统，其主电路如图１所示。 现实意义。最近几年传统串级调速技术再次回到人们的 视野当中，但由于其具有谐波干扰严重、功率因数低及电 流畸变大等弊端，本文设计了基于双闭环解耦附加ＰＩ控 制策略的电流型ＰＷＭ串级调速系统。在实现平滑无极 调速的同时，又提高了功率因数。 ２系统总体结构 ２．１系统的组成 传统的串级调速主要是利用晶间管控制角的变化来 完成的，由于控制角增大，不仅会降低功率因数，而且能量 图１系统主电路 收稿日期：２０１６－１１ ＊项目基金：西安航空职业技术学院院级综合科研项目（１６ＸＨＫＹ－００９）资助 中国科技核心期刊 国外电子测量技术 一３１— 理论与方法 系统主要包括两个部分：整流电路和三相逆变电路。 电动机转子侧的不可控整流电路首先完成整流，经由电感 滤波后直流电呈现高阻抗的电流源特性。再经过ＰＷＭ 逆变器后，转换成工频交流电。最后利用变压器将转差 己口Ｉ ７年ｆ月 第］６卷第卜期 功率回馈给电网，实现节能的目的［１ 。其中逆变电路利 用ＳＰＷＭ控制，并且为了提高ＩＧＢＴ本身的反向电压承 受能力及反向电流的阻断能力，ＩＧＢＴ反向串联续流二 极管。 ２．２转速电流双闭环控制 图３三相桥式逆变电路 为了使系统获得良好的动态及稳态特性，本文引入了 转速外环负反馈和电流内环负反馈的双闭环控制，具体控 制结构如图２所示。 虽然该数学模型直观明了，但由于输出变量会随时间 发生变化，故不利于系统的设计。为此引入了空间矢量坐 标系咖，不仅可以到达简化数学模型的效果，而且便于动 态特性的分析。咖坐标系下的数学模型为： 图２双闭环控制结构 Ｌ警 一Ｒｉ ＋ｏＪＬｉ Ｌ警一“ 一 一ｎｉｑ一 ｃ％ 一 一 ＋ｃ “ ｃ ｄｔ—ｄｑｉ ａ－－ 一 Ｍ 图中，ｉ。为整流电路输出的电流。ＣＳＲ、ＡＳＲ分别为 电流控制环节和转速控制环节，两者采用的皆是ＰＩ控制， 可实现电流、转速的无静差跟踪。限幅环节主要用来防止 转子侧电流过大。 （３） ３ 电流型ＰＷＭ逆变器的控制 ３．Ｌ 等一 一号（ ＋ ） 针对幽坐标系下系统的非线性、耦合性的特点，选取了 ２ 双闭环解耦附加ＰＩ的控制策略［ ，控制示意如图４所示。 图４双闭环解耦附加ＰＩ控制示意 一［ ＋（“刍一“ （愚 ＋皇 ）－ｏ￣Ｃｕ，，］ ４ ｌ 一［。＋ ～ （‰＋争）＋ “ ，／－ＣＵｔ—Ｏ＇Ｕｚｄ 对于电流外环，两个ＰＩ调节器的输出分别为： Ｊ＜ｌ 一 ¨ ｃｍ—ｄⅣ ｄ （１）【Ｌ Ｊ ｆ“三一ｅ ＋（ｔ５一ｉ ）（是 。＋ ）一 ＋胁 ＬＵｄ一 （ ’ｕ十“ ｖ＋ ｃⅣ Ⅳ 【“ 一 ＋（ 一 ）（志 ＋争）＋ ＋尼 （５） 将式（４）和（５）带入式（３）可得： （愚＝Ｕ，Ｖ，Ｖ ） ｄ （２） ｆｄ百ｕｃｄ— ｉ ｌｋ “。－－／，￣ｃｄ） －ｕｃｄ ］ 一 一 白． Ｉ警一 １ Ｅｋ “三一） 。 一）ｄｔ］ 中国科技核心期刊 ３２一 国外电子测量技术 己口ｌ ７年１月 第３６卷第１期 理论与方法 ｆ鲁一 ‰ 川小 Ｉ警一 １ Ｅｋ ｆ 一 ‰ ］ ～）］ ｒ Ｐ １一 一ｉ Ｐ 一Ｐ １ ｆ４一 （１Ｏ） 由此可以看出，系统彻底实现了解耦。由于所有的设 定值为常数，其导数为０，所以对式（６）求导可得： ｌ ｌｄ￡ 一 Ｌ ｚ ）］ （７） ｄ ｔ 一ｚ１． ． 田一ｚ田 ｃ１５ ： 一 一Ｕ唧 ． ｃ３ ． ｃ６一ｅｃ５ ｃ８一 ｌＬ ｃ７一“呵． ｆ７ ｆ 堡＝ ：一 盟ｋ ３ ｋ ４ … ）］ ｌ＋愚 （… ’ 一 ） ］ｌ （８） Ｉ【 山 二 一一 Ｌ 垫－二ｄｔ 将式（７）和（８）写成矩阵的形式： １ ０ 。 Ｏ ０ 匡 ＯＯｋ Ｃ１ Ｏ 。 ０ 。 ｏ ｏ ０ １ 一 （９） 一 ｃ 一ｃ。 。 ｏ ０ ｏ 一 — ｏ ｏ 一ｃ 图５系统控制示意 ４仿真 载能力１．８，效率值为 ＝０．９５８。电流型ＰＷＭ逆变器的 ＩＧＢＴ的开关频率为５ ｋＨＺ。变压器６ ０００ Ｖ／１ ０００ Ｖ。 相关参数： 一６０ ｍＨ，Ｃ一１５０ Ｆ，Ｌ一１０ ｍＨ，Ｒ一１ Ｑ， 用于仿真的电动机铭牌数据为：Ｐ 一２ ８００ ｋＷ，额定 转速 一１ ４８５ ｒ／ｍｉｎ，ｆＮ一５０ Ｈｚ，定子额定电压为Ｕ ＝ ６ ｋＶ，定子额定电流ｊ 一３２３ Ａ，转子电压Ｕ ｚ一１ ５１６ Ｖ， 对双闭环解耦附加ＰＩ控制策略进行验证，按照图５ 列的仿真”＿８］。 国外电子测量技术 一３３一 所示在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立模型并完成如下一系 转子电流Ｉ 一１ １０１ Ａ，额定功率因数为ＣＯＳ￣Ｎ一０．８７，过 中国科技核心期刊 理论与方法 己口Ｉ ７年１月 第］５卷第１期——一 首先测试单位功率因数下系统转速７／的响应情况。 分别在０・７ ｓ和１・２ ｓ时为转速设定阶跃变化，使得转速 由原来的１ ２００ ｒ／ｍｉｎ变为１ ３００ ｒ／ｍｉｎ和１ ０００ ｒ／ｍｉｎ，响 应曲线如图６所示。显然实际转速 能够快速、准确地跟 踪指令值。 １ １ 口０ 图６实际转速响应曲线 当 一１ ０００ ｒ／ｒａｉｎ时，变压器侧Ｕ相电压和电流的 仿真结果如图７所示。显然电压和电流相位相同，且为标 准正弦波，降低了回馈给电网的谐波干扰。 １ 《 毫 一 一１ 图７ 电压和电流仿真曲线 系统回馈给电网的有功功率仿真曲线图如图８所示。 仿真结果表明：电机转速 发生变化时，系统反馈给电网 的有功功率与转速变化成反比０］，从而达到了节能的 效果。 图８有功功率仿真曲线 为了验证补偿无功功率Ｑ后，系统的响应情况。现 设定系统的转速７／＝１ ２００ ｒ／ｍｉｎ，在ｔ一０．２ Ｓ时补偿量 △Ｑ一０．５ ＭＶａｒ，在ｔ一０．６ ｓ时补偿量△Ｑ一一０．５ ＭＶａｒ， 在￡一１．０ Ｓ时补偿量△Ｑ一０．８ ＭＶａｒ。系统的补偿量和 功率因数仿真曲线分别如图９和ｌＯ所示。结果表明：该 控制系统能快速准确地跟踪补偿的无功功率与此同时功 率因数较无补偿时有了大幅度的提高 。 ｔ，ｓ 图９无功功率补偿量仿真 ３４一 国外电子测量技术 § 图１Ｏ功率因数仿真 ５ 结 论 本文在分析系统的工作原理的基础上，详细介绍了电 流型ＰＷＭ逆变器的数学模型的构建，并对双闭环解耦附 加ＰＩ控制策略进行详细推导。最后利用ＭＡＴＬＡＢ建立 系统仿真模型并进行了仿真。结果表明：系统不仅具有良 好的动态、静态特性，而且达到了提高功率因数、减少谐 波、节约能源的目的。 参考文献 ［１］ 万资，王晶鑫，姜建国．基于双ＰＷＭ控制的转子侧变频 调速系统研究［Ｊ］．电力电子技术，２００９，４３（１２）：５５—５７． ［２］王蒙蒙，汤钰鹏．三电平逆变器载波ＰＷＭ方法的研 究［刀．电子测量技术，２０１０，３３（６）：２７—３０． ［３］胡存刚，王群京，严辉，等．三电平中点箝位型逆变 器中点电压平衡和控制方法研究［Ｊ］．电子测量与仪 器学报，２００９，２３（６）：７４—８１． ［４］吴奎华．三相电流型ＰＷＭ并网逆变器的研究［Ｄ］．杭 州：浙江大学，２００８． ｒ５］ＺＨＵ Ｐ ＣＨ，ＬＩＵ Ｌ Ｍ，ＬＩＵ Ｘ Ｙ，ｅｔ ａ１．Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｄｅｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ａ ｕｎｉｆｉｅｄ ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｃ］．Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ， ２００５：７７－８２． ［６］卢强，梅生伟，孙元章．电力系统非线性控制［Ｍ］．第二版． 北京：清华大学出版社，２００８． Ｅ７］ 于会群，钟永，张浩．微电网混合储能系统控制策研究［Ｊ］． 电子测量与仪器学报，２０１５，２９（５）：７３０—７３８． ［８］张经纬．基于ＭＡＴＬＡＢ的串级调速系统的建模与仿 真［Ｊ］．大电机技术，２００８（４）：５７—６０． ［９］栗红梅．异步电动机串级调速系统性能分析［Ｊ］．煤矿 机械，２０１０，３１（４）：１３０－１３１． Ｅｌｏ］邱爱中，张海泉，崔晓，等．一种双ＰＷＭ变换器新 改进型直接功率控制策略［Ｊ］．国外电子测量技术， ２Ｏ１６，３５（４）：５９—６３． 作者简介 王瑜瑜，１９８３年出生，讲师，主要研究方向为计算机 控制和自动化理论。 Ｅ—ｍａｉｌ：ｙｕｙｕｅｒ８２６＠１２６．ｃｏｒｎ 刘少军，１９８２年出生，实验师。主要研究方向为电力 电子技术理论。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｈｊｗｃｌｓｊ＠１６３．ｃｏｒｎ 中国科技核心期刊
