摘 要: 針對三相電壓型PWM整流器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)直流母線電壓超調(diào)較大、對擾動克服能力不強、魯棒性差等問題,本文對控制系統(tǒng)進行了改進,在電壓外環(huán)設(shè)計一種基于內(nèi)模原理的控制器以取代傳統(tǒng)PI控制器,并對內(nèi)??刂?/a>器中濾波器部分的參數(shù)設(shè)計進行分析,最后使用MATLAB/SIMULINK進行仿真研究,并與電壓外環(huán)采用PI控制器的系統(tǒng)性能進行比較。仿真結(jié)果表明,在電壓環(huán)采用內(nèi)??刂破?,可以有效降低直流母線電壓超調(diào),快速抑制擾動,具有良好的魯棒性,性能優(yōu)于傳統(tǒng)PI調(diào)節(jié)器。
關(guān)鍵詞: PWM整流器;內(nèi)??刂?;魯棒性
本文以北京科技大學350 mm熱軋機主傳動改造項目為背景。該項目擬將原有110 kW直流主傳動系統(tǒng)擴容為200 kW交流調(diào)速系統(tǒng)。目前整流側(cè)使用的是電壓型PWM整流器,采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu),電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)均采用PI控制器。但直流母線電壓超調(diào)較大,對擾動克服能力不強,致使逆變側(cè)控制受到影響,整個交流變頻調(diào)速系統(tǒng)性能較差[1]。
內(nèi)??刂破骶哂性O(shè)計簡單、跟蹤性能好、魯棒性強、能消除不可測干擾的影響等優(yōu)點,基于以上因素本文在電壓環(huán)設(shè)計內(nèi)??刂破鱽砀纳普鱾?cè)控制系統(tǒng)性能。最后使用MATLAB/SIMULINK進行仿真研究。仿真結(jié)果表明,電壓環(huán)采用內(nèi)??刂破骱?,直流母線電壓超調(diào)減小,對擾動克服能力加強,系統(tǒng)具有良好的魯棒性。
1 理論基礎(chǔ)
1.1 內(nèi)模控制
內(nèi)??刂平Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。這種結(jié)構(gòu)中,控制器的輸出同時作用到控制對象和內(nèi)部模型,系統(tǒng)的實際輸出與內(nèi)部模型的輸出之差經(jīng)過反饋回路與設(shè)定值比較后作為控制器的輸入。圖1中虛線框內(nèi)是整個內(nèi)??刂葡到y(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中除了有控制器以外,還包含了過程模型^G,內(nèi)??刂埔虼硕妹鸞2]。
1.2 PWM整流器
目前通用的整流電路大部分采用二極管或晶閘管整流,功率因數(shù)低并且諧波污染嚴重。PWM整流技術(shù)具備功率因數(shù)可調(diào)、理想無低次諧波、能量雙向流動、輸出直流電壓可調(diào)且無紋波等優(yōu)點,具有廣闊的發(fā)展前景[3-4]。
PWM整流器可以分類成電壓型和電流型兩大類。相比于電流型PWM整流器,電壓型PWM整流器具有結(jié)構(gòu)簡單、損耗較低、控制方便等優(yōu)點,因此應(yīng)用較為廣泛。本系統(tǒng)中亦采用電壓型PWM整流器。
2 電壓外環(huán)內(nèi)??刂破鞯脑O(shè)計
在三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計中,通常采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。電壓外環(huán)的主要作用是控制三相電壓型PWM整流器直流側(cè)電壓;電流內(nèi)環(huán)的主要作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流控制,實現(xiàn)整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。
本文電流內(nèi)環(huán)控制器的設(shè)計采用參考文獻[4]中典型I型系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器設(shè)計方法。按照此種方法設(shè)計時,電流內(nèi)環(huán)具有較快的動態(tài)響應(yīng),對指令電流的跟隨性能較好[4]。
根據(jù)參考文獻[4],電流內(nèi)環(huán)PI控制器的參數(shù)分別為:
由上兩式可得:
圖中,τv為電壓外環(huán)采樣小慣性時間常數(shù)。
2.2 電壓外環(huán)內(nèi)??刂破鞯脑O(shè)計
由圖1可知,當模型完全準確,即G(s)=^G(s),且沒有外界擾動,即^D(s)=0時,可得出模型的輸出與過程的輸出相等,此時反饋信號為零。這樣,在無模型不確定性和無未知輸入的條件下,內(nèi)模控制系統(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)。對于開環(huán)穩(wěn)定的過程,反饋的目的就是克服過程的不確定性。在工業(yè)過程控制中,模型不確定性是難免的。此時,內(nèi)??刂平Y(jié)構(gòu)中的反饋信號就反映了過程模型的不確定性和擾動的影響,構(gòu)成了閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。
對于三相電壓型PWM整流器雙閉環(huán)控制系統(tǒng),GIMC(s)分子多項式的系數(shù)大于分母多項式的系數(shù),為保證控制器的可實現(xiàn)性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,需加一個低通濾波器中,分子多項式的次數(shù)比分母多項式次數(shù)大2,可知γ=2即可保證內(nèi)??刂破鞯挠欣硇浴R虼?epsilon;為整個內(nèi)??刂葡到y(tǒng)唯一需要調(diào)節(jié)的參數(shù)[5]。
3 仿真實驗結(jié)果
基于以上的控制方法進行軟件仿真試驗。在MATLAB/SIMULINK中建立仿真模型,仿真模型參數(shù)取自硬件系統(tǒng)的實際參數(shù)。交流電源電壓幅值為 311 V,頻率50 Hz,交流側(cè)電感L=1.6 mH,寄生電阻R=0.02 Ω,直流側(cè)電容C=3 600 μF;開關(guān)頻率為10 kHz,負載電阻RL=30 Ω。在0.1 s時加入+50 V的電壓擾動。
圖3為采用內(nèi)模控制器的電壓外環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖。
ε的選擇要根據(jù)電壓信號采集系統(tǒng)所需低通濾波器的帶寬來決定??闪頰=1/ε,a的數(shù)值首先應(yīng)小于電壓基波成分頻率,其次a應(yīng)大于PWM整流器開關(guān)頻率。在具體調(diào)節(jié)?著的過程中發(fā)現(xiàn),當選擇ε較小時,系統(tǒng)延遲較小,抗干擾性能較差;當選擇ε較大時,內(nèi)環(huán)抗干擾性能較強。
仿真過程中,電壓外環(huán)分別采用PI控制器和內(nèi)模控制器。二者比較的曲線如圖4所示。采用PI調(diào)節(jié)器時,電壓超調(diào)接近20%,而采用內(nèi)??刂破鞯南到y(tǒng)電壓超調(diào)小于10%。在0.1 s加入擾動時,內(nèi)??刂葡到y(tǒng)的抗擾性能更強。但采用內(nèi)??刂破鲿r,系統(tǒng)具有一定延遲[5]。
采用內(nèi)??刂破鞯南到y(tǒng),交流側(cè)輸入電壓與輸入電流波形如圖5所示,能量回饋時交流側(cè)輸入電壓與輸入電流波形如圖6所示。由仿真圖可見輸入電流正弦度很好,實現(xiàn)了系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運行和能量的雙向流動。
本文建立了基于內(nèi)模控制的改進型雙閉環(huán)PWM整流器的模型,在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下進行仿真研究。仿真結(jié)果表明,采用內(nèi)??刂破骱?,直流母線電壓超調(diào)減小,抑制擾動能力加強,并且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1,減少了對電網(wǎng)的污染,實現(xiàn)了整流器的能量雙向流動以及高功率因數(shù)運行;證實了本設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)合理,參數(shù)調(diào)節(jié)適當,具有實際工程應(yīng)用價值。
參考文獻
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