摘 要： 針對(duì)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(duì)擾動(dòng)克服能力不強(qiáng)、魯棒性差等問題，本文對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在電壓外環(huán)設(shè)計(jì)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(duì)內(nèi)模控制器中濾波器部分的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，最后使用MATLAB/SIMULINK進(jìn)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(jìn)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(dòng)，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(xué)350 mm熱軋機(jī)主傳動(dòng)改造項(xiàng)目為背景。該項(xiàng)目擬將原有110 kW直流主傳動(dòng)系統(tǒng)擴(kuò)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(duì)擾動(dòng)克服能力不強(qiáng)，致使逆變側(cè)控制受到影響，整個(gè)交流變頻調(diào)速系統(tǒng)性能較差[1]。
內(nèi)模控制器具有設(shè)計(jì)簡單、跟蹤性能好、魯棒性強(qiáng)、能消除不可測干擾的影響等優(yōu)點(diǎn)，基于以上因素本文在電壓環(huán)設(shè)計(jì)內(nèi)?？刂破鱽砀纳普鱾?cè)控制系統(tǒng)性能。最后使用MATLAB/SIMULINK進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，電壓環(huán)采用內(nèi)模控制器后，直流母線電壓超調(diào)減小，對(duì)擾動(dòng)克服能力加強(qiáng)，系統(tǒng)具有良好的魯棒性。
1 理論基礎(chǔ)
1.1 內(nèi)?？刂?br />
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(shí)作用到控制對(duì)象和內(nèi)部模型，系統(tǒng)的實(shí)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(gè)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(yán)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(dòng)、輸出直流電壓可調(diào)且無紋波等優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)，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(jì)
在三相電壓型PWM整流器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jìn)行電流控制，實(shí)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(jì)采用參考文獻(xiàn)[4]中典型I型系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)方法。按照此種方法設(shè)計(jì)時(shí)，電流內(nèi)環(huán)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，對(duì)指令電流的跟隨性能較好[4]。
根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(shí)間常數(shù)。
2.2 電壓外環(huán)內(nèi)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)
由圖1可知，當(dāng)模型完全準(zhǔn)確，即G(s)=^G(s)，且沒有外界擾動(dòng)，即^D(s)=0時(shí)，可得出模型的輸出與過程的輸出相等，此時(shí)反饋信號(hào)為零。這樣，在無模型不確定性和無未知輸入的條件下，內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)具有開環(huán)結(jié)構(gòu)。對(duì)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(shí)，內(nèi)模控制結(jié)構(gòu)中的反饋信號(hào)就反映了過程模型的不確定性和擾動(dòng)的影響，構(gòu)成了閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)。
對(duì)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(xiàng)式的系數(shù)大于分母多項(xiàng)式的系數(shù)，為保證控制器的可實(shí)現(xiàn)性及系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，需加一個(gè)低通濾波器
中，分子多項(xiàng)式的次數(shù)比分母多項(xiàng)式次數(shù)大2，可知γ=2即可保證內(nèi)模控制器的有理性。因此ε為整個(gè)內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)唯一需要調(diào)節(jié)的參數(shù)[5]。
3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于以上的控制方法進(jìn)行軟件仿真試驗(yàn)。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(shí)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(fù)載電阻RL＝30 Ω。在0.1 s時(shí)加入+50 V的電壓擾動(dòng)。
圖3為采用內(nèi)?？刂破鞯碾妷和猸h(huán)控制結(jié)構(gòu)圖。
ε的選擇要根據(jù)電壓信號(hào)采集系統(tǒng)所需低通濾波器的帶寬來決定。可令a=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(dāng)選擇ε較小時(shí)，系統(tǒng)延遲較小，抗干擾性能較差；當(dāng)選擇ε較大時(shí)，內(nèi)環(huán)抗干擾性能較強(qiáng)。
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(shí)，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(dòng)時(shí)，內(nèi)?？刂葡到y(tǒng)的抗擾性能更強(qiáng)。但采用內(nèi)?？刂破鲿r(shí)，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(shí)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(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的單位功率因數(shù)運(yùn)行和能量的雙向流動(dòng)。
本文建立了基于內(nèi)?？刂频母倪M(jìn)型雙閉環(huán)PWM整流器的模型，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明，采用內(nèi)模控制器后，直流母線電壓超調(diào)減小，抑制擾動(dòng)能力加強(qiáng)，并且網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1，減少了對(duì)電網(wǎng)的污染，實(shí)現(xiàn)了整流器的能量雙向流動(dòng)以及高功率因數(shù)運(yùn)行；證實(shí)了本設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)合理，參數(shù)調(diào)節(jié)適當(dāng)，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。
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