抗電感干擾的軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制仿真

馬 丁

(南昌航空大學(xué)科技學(xué)院，江西 南昌 330034)

1 引言

軟啟動(dòng)電路廣泛應(yīng)用在電機(jī)啟動(dòng)和直流電機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)中，通過(guò)軟啟動(dòng)電路進(jìn)行輸出電壓和電流的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高電機(jī)輸出的平穩(wěn)性。在軟啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)中，受到電感擾動(dòng)以及超低頻振蕩因素的影響，導(dǎo)致軟啟動(dòng)電路的輸出穩(wěn)定性較差。為提高軟啟動(dòng)電路的平滑過(guò)渡控制效能，提高軟啟動(dòng)電路的輸出穩(wěn)定性，需要進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的抗干擾設(shè)計(jì)[1]。

對(duì)軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制是建立在對(duì)軟啟動(dòng)電路控制約束參量模型分析基礎(chǔ)上，采用負(fù)荷的波動(dòng)性調(diào)節(jié)方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制和直流多功率穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)[2]。結(jié)合等效電路分析方法，提高軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制能力。傳統(tǒng)方法中，對(duì)軟啟動(dòng)電路進(jìn)行平滑過(guò)渡控制方法主要有模糊PID控制方法、積分控制方法和穩(wěn)態(tài)耦合控制方法等[3-4]，建立不同頻率的軟啟動(dòng)電路系統(tǒng)控制模型，結(jié)合對(duì)軟啟動(dòng)電路系統(tǒng)的直流多功率耦合控制進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5]中提出一種基于模糊PID增益調(diào)節(jié)的軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制方法，采用離散傅里葉分析和頻域分析方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制，結(jié)合直流多功率增益調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制，但該方法的自動(dòng)控制性能不好，收斂性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[6]中提出基于非同步耦合調(diào)制的軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制方法，進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的直流間諧波動(dòng)抑制，實(shí)現(xiàn)抗電感干擾平滑過(guò)渡控制，該方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制的穩(wěn)定性較好，但輸出增益不高。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于電壓自均衡直接耦合抗電感干擾的軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制方法。構(gòu)建軟啟動(dòng)電路的模塊化多電平控制結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合直流最大可控功率調(diào)制方法進(jìn)行電路的抗電感干擾設(shè)計(jì)，減小系統(tǒng)的暫態(tài)能量變化。采用電壓自均衡直接耦合控制方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的超低頻振蕩抑制，通過(guò)直流調(diào)制量自動(dòng)跟隨調(diào)節(jié)方法控制軟啟動(dòng)電路的平滑過(guò)渡。最后進(jìn)行仿真分析，展示了本文方法在提高軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制能力方面的優(yōu)越性能。

2 軟啟動(dòng)電路控制約束參量分析及抗電感干擾設(shè)計(jì)

2.1 軟啟動(dòng)電路模塊化多電平控制結(jié)構(gòu)模型

為實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制，利用機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)耦合調(diào)節(jié)方法構(gòu)建軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制的對(duì)象模型。針對(duì)軟啟動(dòng)電路的單極性特點(diǎn)[7]，以直流附加阻尼變化率、輸入濾波電感以及超低頻段的電壓等為控制約束參量，構(gòu)建軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制的負(fù)阻尼約束參量模型。采用多直流的分散協(xié)調(diào)控制方法，構(gòu)建軟啟動(dòng)電路的模糊控制對(duì)象模型，用如下二元微分方程表述

(1)

式中，LQ表示電機(jī)組整體阻尼可控電壓源，UJ表示帶直流偏置的負(fù)阻尼系數(shù)，UE是多直流協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的側(cè)電壓。軟啟動(dòng)電路控制約束特征量用式(2)表示

Δv(l)=LQΔf(l)+LJf(l)+LE[Δf(l)-Δf(l-1)]

(2)

(3)

構(gòu)建多直流協(xié)調(diào)控制的耦合控制模型，以滿足實(shí)際需要，得到軟啟動(dòng)電路的波動(dòng)性控制方程表示

(4)

式中，v是振蕩能量；x1是子模塊電容電壓；x2是輸入信號(hào)的一階導(dǎo)數(shù)；h為模塊化多電平控制步長(zhǎng)，采用外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的聯(lián)合控制方法，在驅(qū)動(dòng)等交直流變換場(chǎng)合中，直流指令輸出濾波因子為h0，當(dāng)h值不變且輸入交流端口的電壓穩(wěn)定時(shí)，增大h0進(jìn)行直接耦合式調(diào)節(jié)；h，h0是準(zhǔn)諧振子模塊的耦合參數(shù)，由此構(gòu)建軟啟動(dòng)電路的平滑過(guò)渡控制約束參量模型，進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的直流多功率穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，提高抗電感干擾能力。

2.2 擾動(dòng)數(shù)據(jù)提取

為分析抗電感干擾，需提取電路系統(tǒng)中擾動(dòng)數(shù)據(jù)，可采用序貫減薄算法獲取電路的擾動(dòng)數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

擾動(dòng)數(shù)據(jù)的提取可通過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)序貫減薄的方法，即

X⊕T=X/(X?T)

(5)

式中，X為電路電流接收數(shù)據(jù)；結(jié)構(gòu)元T采用結(jié)構(gòu)元表中的模板。經(jīng)過(guò)計(jì)算得到減薄后的擾動(dòng)數(shù)據(jù)，該算法具有穩(wěn)定數(shù)據(jù)各分量的拓?fù)溧徑雨P(guān)系的優(yōu)點(diǎn)。

依據(jù)形態(tài)學(xué)中序貫減薄計(jì)算方法，能夠得到擾動(dòng)數(shù)據(jù)。該擾動(dòng)數(shù)據(jù)中含有大量環(huán)形節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)具有非單像素寬的特點(diǎn)。能夠?qū)ο路蕉它c(diǎn)和短線段及節(jié)點(diǎn)的矢量化處理起到妨礙作用。故而在進(jìn)行下一步的操作前，需要消除擾動(dòng)數(shù)據(jù)中的環(huán)形節(jié)點(diǎn)。在僅保留矢量化所需要的圖像節(jié)點(diǎn)。矢量化所需要的擾動(dòng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)是由短線段相交而成。矢量化前必須完成擾動(dòng)數(shù)據(jù)的端點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)的提取，將環(huán)形節(jié)點(diǎn)的全部擊中溶于數(shù)據(jù)中能夠有利于形態(tài)學(xué)計(jì)算的黏連節(jié)點(diǎn)的提取，再將黏連節(jié)點(diǎn)進(jìn)行近臨節(jié)點(diǎn)合并，使它就近成為正確節(jié)點(diǎn)，黏連節(jié)點(diǎn)的提取其實(shí)就是將擾動(dòng)的數(shù)據(jù)歸一化的過(guò)程，系統(tǒng)中擾動(dòng)數(shù)據(jù)的提取有益于提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)的精度。

2.3 抗電感干擾設(shè)計(jì)

通過(guò)上述步驟提取系統(tǒng)擾動(dòng)數(shù)據(jù)后，結(jié)合直流最大可控功率調(diào)制方法進(jìn)行電路的抗電感干擾設(shè)計(jì)，減小系統(tǒng)的暫態(tài)能量變化[9]，在上述進(jìn)行了軟啟動(dòng)電路控制約束參量模型參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用負(fù)荷的波動(dòng)性調(diào)節(jié)方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾設(shè)計(jì)，得到軟啟動(dòng)電路的電壓自均衡誤差控制項(xiàng)為

Lx=(1-k2)L11

(6)

Lmx=k2L11

(7)

(8)

以交流環(huán)流分量為控制代價(jià)參量，以設(shè)高壓大容值的電容為輸入，在諧振點(diǎn)控制采樣周期內(nèi)進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的阻抗匹配，得到軟啟動(dòng)電路的準(zhǔn)諧振子模塊的匹配電路模型，由此構(gòu)建軟啟動(dòng)電路抗電感干擾的等效電路模型如圖1所示。

圖1 軟啟動(dòng)電路抗電感干擾的等效電路模型

根據(jù)圖1所示的等效電路模型，在輸出側(cè)加裝諧振電感，電感參數(shù)為

(9)

(10)

通過(guò)對(duì)上下橋臂和直流側(cè)輸出功率的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，進(jìn)行軟啟動(dòng)電路抗電感干擾平滑過(guò)渡控制的優(yōu)化求解，實(shí)現(xiàn)功率解耦控制[10]。采用直接耦合式 MMDCT調(diào)節(jié)方法，得到軟啟動(dòng)電路的耦合電感為

vi(t)-nxvsec(t)=vcx(t)+vlx(t)

(11)

求出同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下軟啟動(dòng)電路的直流多功率穩(wěn)態(tài)特征量在諧振點(diǎn)附近的功耗為

(12)

軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制的功率輸出耦合因子表示為

ipri(t)?Iprisin(ωt-α)

(13)

采用直流側(cè)的交流環(huán)流調(diào)節(jié)方法，得到軟啟動(dòng)電路的擾動(dòng)電流Lmx為：

(14)

采用相鄰子模塊端電壓矢量重合調(diào)節(jié)模式，構(gòu)建軟啟動(dòng)電路的LM-Smith時(shí)滯項(xiàng)vsec為

vsec(t)=Vouts[sin(ωt-θ)]

(15)

根據(jù)方波電壓幅值大小，得到軟啟動(dòng)電路的導(dǎo)磁率為

isec(t)=nx[ipri(t)-iLmx(t)]

(16)

對(duì)以上方程進(jìn)行聯(lián)立求解，以軟啟動(dòng)電路的電損耗為控制指標(biāo)，進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾調(diào)節(jié)和平滑過(guò)渡控制[11-12]。

3 控制模型優(yōu)化

3.1 電壓自均衡直接耦合調(diào)節(jié)

在上述構(gòu)建了軟啟動(dòng)電路的模塊化多電平控制結(jié)構(gòu)模型，并采用子模塊串聯(lián)支撐調(diào)節(jié)方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的等交直流變換穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文提出一種基于電壓自均衡直接耦合抗電感干擾的軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制方法。構(gòu)建軟啟動(dòng)電路的模塊化多電平控制結(jié)構(gòu)模型，采用子模塊串聯(lián)支撐調(diào)節(jié)方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的等交直流變換穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)，軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制的等效荷載輸出為

(17)

(18)

Vo=RloadIo

(19)

其中

(20)

θ=α-x

(21)

采用相鄰子模塊互補(bǔ)投切調(diào)制方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的直流調(diào)節(jié)誤差修正，軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制模型滿足Gm(s)=G0(s)，tm=τ，計(jì)算逆變器輸出電壓，得到方波電壓幅值為

H(s)+Y(s)=Gm(s)U(s)

(22)

在濾波電感上加入非同步耦合控制項(xiàng)，軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制受到干擾向量e-tms的影響，以方波電壓幅值輸出最大為約束指標(biāo)，得到電壓自均衡直接耦合調(diào)節(jié)輸出為

(23)

添加輸入濾波電感Li，電流環(huán)控制傳遞函數(shù)為

(24)

考慮頂端電容Ctop對(duì)直流側(cè)能量的影響，導(dǎo)通壓降和電容電壓紋波存在如下關(guān)系

(25)

在功率輸出增益最大的條件下，得到軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制的輸出增益K=ΔK·Km，其中ΔK>0，滯后環(huán)節(jié)分別為Gm(s)e-tms與Gm(s)，綜上分析，實(shí)現(xiàn)電壓自均衡直接耦合調(diào)節(jié)和過(guò)渡控制。

3.2 軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制

計(jì)算軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制系統(tǒng)狀態(tài)差值，采用非線性反饋調(diào)節(jié)方法，進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的抗電感干擾平滑過(guò)渡控制的模糊調(diào)度，得到非線性反饋調(diào)節(jié)式表示

(26)

式中，α1，α2，δ1，δ2，b0是電壓自均衡直接耦合控制電壓，kp，kd是比例系數(shù)和微分系數(shù)。

在系統(tǒng)受到擾動(dòng)后，結(jié)合直流最大可控功率調(diào)制方法進(jìn)行電路的抗電感干擾設(shè)計(jì)，得到帶直流偏置控制采樣周期內(nèi)的軟啟動(dòng)電路的超低頻振蕩控制輸出表示為

(27)

(28)

(29)

帶直流偏置的電路平滑過(guò)渡控制聯(lián)合微分方程為

(30)

根據(jù)上述公式，建立不同頻率系統(tǒng)間的電力系統(tǒng)的直流多功率耦合模型，進(jìn)行抗電感干擾平滑過(guò)渡控制[15]。

4 仿真與結(jié)果分析

為了測(cè)試本文方法在實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制中的應(yīng)用性能，進(jìn)行仿真，實(shí)驗(yàn)采用Matlab Simulink模擬軟啟動(dòng)電路的仿真環(huán)境，設(shè)置電容電壓紋波系數(shù)為0.25，開(kāi)關(guān)頻率為1200kHz，子模塊電容為1.5PF，輸出電壓120V，振蕩周期內(nèi)系統(tǒng)暫態(tài)能量為2000kJ，其它參數(shù)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 電路參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述仿真參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制的仿真，得到不同電感干擾下，通過(guò)電路平滑過(guò)渡控制得到輸出效率如圖2所示。

圖2 輸出效率

采用電壓自均衡直接耦合控制方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的超低頻振蕩抑制，得到不同方法進(jìn)行啟動(dòng)電路平滑控制的輸出功率測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

圖3 輸出功率測(cè)試結(jié)果

分析仿真結(jié)果得知，采用本文方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制的收斂性較好，電路系統(tǒng)的振蕩抑制能力較強(qiáng)，提高了抗電感干擾能力，輸出功率較高。

5 結(jié)語(yǔ)

為了提高軟啟動(dòng)電路的平滑過(guò)渡控制效能，從而提高軟啟動(dòng)電路的輸出穩(wěn)定性，需要進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的抗干擾設(shè)計(jì)，結(jié)合對(duì)軟啟動(dòng)電路的平滑過(guò)渡控制優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行軟啟動(dòng)電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制，本文提出一種基于電壓自均衡直接耦合抗電感干擾的軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制方法。構(gòu)建軟啟動(dòng)電路的模塊化多電平控制結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合直流最大可控功率調(diào)制方法進(jìn)行電路的抗電感干擾設(shè)計(jì)，減小系統(tǒng)的暫態(tài)能量變化。采用電壓自均衡直接耦合控制方法完成電路的超低頻振蕩抑制，通過(guò)直流調(diào)制量自動(dòng)跟隨調(diào)節(jié)方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制。研究得知，本文方法進(jìn)行軟啟動(dòng)電路平滑過(guò)渡控制的輸出增益較高，抗干擾能力較強(qiáng)。