團隊介紹

• 游小杰，1964年出生，北京交通大學電力電子研究所所長、教授。研究方向為電力電子變流技術(shù)、電力機車牽引控制技術(shù)。組織研發(fā)的大功率變流器控制技術(shù)已經(jīng)批量應(yīng)用于中國中車的HXD2C、HXD2等型號的重載電力機車和復(fù)興號高速動車組，裝車數(shù)量超過500臺。
• 楊才偉，1992年出生，博士，新風光電子科技股份有限公司技術(shù)研究員，研究方向為電力機車牽引變流器控制、電力電子變壓器控制、儲能變流器控制。
• 王劍，1979年出生，北京交通大學電力電子研究所副教授。研究方向為電力電子變流技術(shù)、電力機車牽引控制技術(shù)。
• 王琛琛，1981年出生，北京交通大學電氣工程學院教授、副院長。研究方向為電力機車牽引傳動和大功率變流器控制技術(shù)。

研究背景

隨著寬禁帶器件的發(fā)展，碳化硅器件有望應(yīng)用于機車牽引系統(tǒng)的PWM整流器中，使開關(guān)頻率提高，并網(wǎng)濾波器的電感和體積可隨之減小。但由于牽引網(wǎng)電壓存在諧波，造成的電流諧波也相應(yīng)增大，增加了PWM整流器電流控制的難度。

機車PWM整流器的電流控制對系統(tǒng)的穩(wěn)定、快速響應(yīng)起到了至關(guān)重要的作用，作為單相系統(tǒng)，使用諧振控制器對基波和各次諧波控制是非常合適的選擇。而目前在電流控制中涉及采用多個諧振控制器的情況時，控制器增益的選取沒有完全解耦，大都需通過觀察頻率響應(yīng)并根據(jù)經(jīng)驗選取，很難形成一套通用的設(shè)計方案。

論文所解決的問題及意義

針對采用多個諧振控制器控制的機車PWM整流器，本文提出了一種新的增益設(shè)計方法，基于Nichols圖的分析簡化了分析復(fù)雜度，將增益設(shè)計轉(zhuǎn)化成最小幅值裕度和多個相位穿越頻率的設(shè)計，實現(xiàn)增益設(shè)計的解耦，通過最小化調(diào)整時間和超調(diào)確定最終的增益參數(shù)。該設(shè)計方法在優(yōu)化系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的同時，保證了系統(tǒng)較強的魯棒性。

論文方法及創(chuàng)新點

在設(shè)計控制器時，根據(jù)控制目標選定使用PI控制器加多個VPI控制器后，還需考慮計算延時和PWM延時的影響，通過對比敏感峰值倒數(shù)確定VPI控制器中是否加入相位補償，確定最終的控制器形式。

確定控制器后還需對控制器增益進行設(shè)計。與Bode圖相比，在圖1所示的Nichols圖中，幅值裕度和相位裕度與系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)系更容易觀察。因此提取系統(tǒng)整體增益，并給出增益與最小幅值裕度的關(guān)系式。由于系統(tǒng)增益不影響相位穿越頻率，因此進一步將諧振控制器增益設(shè)計轉(zhuǎn)換成相位穿越頻率的設(shè)計，實現(xiàn)增益設(shè)計的解耦。最終通過優(yōu)化調(diào)整時間和超調(diào)得到最終的控制器增益。

圖1 使用不同相位補償角系統(tǒng)開環(huán)頻率響應(yīng)Nichols圖對比

結(jié)論

為了使開關(guān)頻率提高后電力機車PWM整流器的電流控制器能夠?qū)娏骺焖夙憫?yīng)，抑制電流中的偏置和諧波，本文采用了PI加多個VPI控制器，提出了該控制器的一種增益設(shè)計方法。本文推薦在控制頻率和被控信號頻率比值小于16時在VPI控制器中加入相位補償。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)調(diào)整時間和超調(diào)進行參數(shù)設(shè)計，給出了具體的相位穿越頻率設(shè)計結(jié)果，并推薦將系統(tǒng)的最小幅值裕度設(shè)計為15dB。最后根據(jù)文章中給出的公式計算具體增益參數(shù)。

引用本文

游小杰, 楊才偉, 王劍, 王琛琛, 原志強. 一種適用于機車PWM整流器的比例積分-諧振電流控制器設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學報, 2021, 36(23): 4926-4936. You Xiaojie, Yang Caiwei, Wang Jian, Wang Chenchen, Yuan Zhiqiang. A Tuning Method for Proportional Integral-Resonant Current Controller in Locomotive PWM Rectifiers. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4926-4936.