北京交通大学游小杰、杨才伟 等：一种适用于机车PWM整流器的比例积分-谐振电流控制器设计

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为了保证电力机车PWM整流器对基波电流的快速响应，并实现对直流偏置和谐波电流的快速抑制，本文采用比例积分（PI）和多个矢量比例积分（VPI）控制器进行电流控制。针对传统控制器参数设计方法中各增益相互耦合的问题，本文提出一种增益解耦设计方法，给出具体设计参数。该设计方法保证了系统的动态性能和鲁棒性。

团队介绍

• 游小杰，1964年出生，北京交通大学电力电子研究所所长、教授。研究方向为电力电子变流技术、电力机车牵引控制技术。组织研发的大功率变流器控制技术已经批量应用于中国中车的HXD2C、HXD2等型号的重载电力机车和复兴号高速动车组，装车数量超过500台。

• 杨才伟，1992年出生，博士，新风光电子科技股份有限公司技术研究员，研究方向为电力机车牵引变流器控制、电力电子变压器控制、储能变流器控制。

• 王剑，1979年出生，北京交通大学电力电子研究所副教授。研究方向为电力电子变流技术、电力机车牵引控制技术。

• 王琛琛，1981年出生，北京交通大学电气工程学院教授、副院长。研究方向为电力机车牵引传动和大功率变流器控制技术。

研究背景

随着宽禁带器件的发展，碳化硅器件有望应用于机车牵引系统的PWM整流器中，使开关频率提高，并网滤波器的电感和体积可随之减小。但由于牵引网电压存在谐波，造成的电流谐波也相应增大，增加了PWM整流器电流控制的难度。

机车PWM整流器的电流控制对系统的稳定、快速响应起到了至关重要的作用，作为单相系统，使用谐振控制器对基波和各次谐波控制是非常合适的选择。而目前在电流控制中涉及采用多个谐振控制器的情况时，控制器增益的选取没有完全解耦，大都需通过观察频率响应并根据经验选取，很难形成一套通用的设计方案。

论文所解决的问题及意义

针对采用多个谐振控制器控制的机车PWM整流器，本文提出了一种新的增益设计方法，基于Nichols图的分析简化了分析复杂度，将增益设计转化成最小幅值裕度和多个相位穿越频率的设计，实现增益设计的解耦，通过最小化调整时间和超调确定最终的增益参数。该设计方法在优化系统动态响应的同时，保证了系统较强的鲁棒性。

论文方法及创新点

在设计控制器时，根据控制目标选定使用PI控制器加多个VPI控制器后，还需考虑计算延时和PWM延时的影响，通过对比敏感峰值倒数确定VPI控制器中是否加入相位补偿，确定最终的控制器形式。

确定控制器后还需对控制器增益进行设计。与Bode图相比，在图1所示的Nichols图中，幅值裕度和相位裕度与系统稳定性的关系更容易观察。因此提取系统整体增益，并给出增益与最小幅值裕度的关系式。由于系统增益不影响相位穿越频率，因此进一步将谐振控制器增益设计转换成相位穿越频率的设计，实现增益设计的解耦。最终通过优化调整时间和超调得到最终的控制器增益。

图1 使用不同相位补偿角系统开环频率响应Nichols图对比

结论

为了使开关频率提高后电力机车PWM整流器的电流控制器能够对基波电流快速响应，抑制电流中的偏置和谐波，本文采用了PI加多个VPI控制器，提出了该控制器的一种增益设计方法。本文推荐在控制频率和被控信号频率比值小于16时在VPI控制器中加入相位补偿。在此基础上，根据调整时间和超调进行参数设计，给出了具体的相位穿越频率设计结果，并推荐将系统的最小幅值裕度设计为15dB。最后根据文章中给出的公式计算具体增益参数。

引用本文

游小杰, 杨才伟, 王剑, 王琛琛, 原志强. 一种适用于机车PWM整流器的比例积分-谐振电流控制器设计[J]. 电工技术学报, 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.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90079

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