电压环PIR调节器优化方案

前面分析了负载功率前馈加电流环PIR调节器的控制策略，从理论推导和分析，以及仿真均证明了该策略能使带单相H桥负载的三相PWM整流器处于稳态运行。负载功率前馈的主要作用是提高动态响应性能，功率前馈是一种开环的控制策略，引入的误差需要通过电压外环直流母线电压的反馈来消除。另外，负载功率前馈控制需要对功率的实时计算，这就离不开对电压和电流信号的采样，而基波电压有效值可由母线电压乘占空比获得，电流可通过电流霍尔采样取得，这无疑又增加了控制系统的成本和复杂性。如果能通过闭环控制为电流环提供给定值，对实际的功率单元系统设计将具有非常重要的意义。

1.电压环PIR调节器

图5-49所示为系统电压外环的控制框图。

图5-49 系统电压外环控制框图

在图5-49中，G_u（s）为电压环调节器的传递函数，0.75/（T_us+1）为电压环采样小惯性环节与电流内环传递函数合并后的传递函数。

根据上述电流环PIR调节器的设计原理，要实现电压环对2ω_o交流分量的无静差跟踪控制，应设计电压环调节器的传递函数为

图5-50 电压环电流环PIR调节器控制框图

电压环PIR调节器的特性与电流环PIR调节器完全相同，这里不再赘述。

电压环和电流环均采用PIR调节器的控制框图如图5-50所示^[177]。电压环采用PIR调节器，可实现对2ω_o交流分量的无静差跟踪控制。该控制方式虽然动态响应不如负载功率前馈控制，但是在稳态时具有良好的性能，并且能够降低成本、简化控制系统。

2.仿真分析

图5-51所示为电压环电流环PIR调节器控制系统仿真模型，同样设定H桥逆变器的输出频率f_o=45Hz。系统仿真参数与采用PI调节器时相同，系统仿真时间为0.5s，采用变步长离散算法。仿真波形如图5-52～图5-56所示。

图5-51 电压环电流环PIR调节器控制的系统仿真模型(www.xing528.com)

图5-52所示为电压环电流环PIR调节器控制的系统直流母线电压整体与局部放大仿真波形。由图可见，直流母线电压维持在给定值230V，电压基本平稳，其波动峰峰值为1V。与采用负载功率前馈加电流环PIR调节器相比母线电压更加平稳。

图5-53所示为系统网侧相电压与相电流仿真波形。由图可见，相电压与相电流同相位，电流响应速度较快。

图5-52 系统的电压环电流环PIR调节器控制母线电压仿真波形

图5-53 系统的电压环电流环PIR调节器控制相电压与相电流仿真波形

图5-54所示为系统d轴电流给定值、实际值、误差值和q轴电流实际值仿真波形。从图中可发现，d轴电流误差值维持在0轴附近，基本平稳，q轴有功电流跟踪效果明显，并且q轴电流无明显的波动。

图5-55、图5-56所示分别为母线电压和网侧电流的谐波分析。由母线电压谐波分析图可见，母线电压2f_o=90Hz分量谐波含量较少，与采用负载功率前馈加电流环PIR调节器控制时基本相似；网侧电流谐波分析图中2ω_o-ω_s=40Hz和2ω_o+ω_s=140Hz分量谐波含量也较采用负载功率前馈时少。

图5-54 电压环电流环PIR调节器控制有功电流与无功电流仿真波形

图5-55 电压环电流环PIR调节器控制母线电压谐波分析

图5-56 电压环电流环PIR调节器控制网侧a相电流谐波分析

通过以上仿真实验及相应的仿真波形可见，母线电压比较平稳，电流环能够实现无静差跟踪控制，电压环和电流环采用PIR调节器控制所取得的效果比采用负载功率前馈加电流环PIR调节器控制效果好。该控制方法不需负载功率前馈采用的电流霍尔传感器，节省了成本；其次，该控制方法只需在算法中做一些处理即可实现。因此考虑到实际系统采用负载功率前馈设计的复杂性，在实际应用中可选用电压环电流环PIR调节器控制的方法。