劉 凱,彭曉瑋,李云鋼
(1.天津大沽化工股份有限公司,天津 300455;2.湖南科瑞變流股份有限公司,湖南 株洲 412000)
大功率整流器是指功率在10 MW級以上的整流器,主要應(yīng)用于冶金、化工、石油、造紙、礦山、直流輸配電等領(lǐng)域,其常用的半導(dǎo)體器件為二極管和晶閘管[1-3]。晶閘管整流器可以快速調(diào)節(jié)電壓和電流,效率通常在99.5%以上,隨著晶閘管整流技術(shù)的日趨成熟,晶閘管整流器已成為國內(nèi)氯堿電解直流電源轉(zhuǎn)換裝置的首選[4-6]。隨著對控制性能要求的不斷提高,需要對控制算法進(jìn)行深入研究。晶閘管控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng),主要體現(xiàn)在觸發(fā)角與直流輸出平均電壓之間是非線性關(guān)系[7-8]。此外,由于晶閘管是半控器件,只有當(dāng)受到反向電壓作用才會截止,控制觸發(fā)信號改變之后并不會立刻起作用,這一短時(shí)失控可等價(jià)于一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié),它也是一個(gè)非線性環(huán)節(jié)[9]。這些非線性環(huán)節(jié)會影響全局性能及動態(tài)響應(yīng)特性。對此,文獻(xiàn)[10]中提出使用局部線性化,解決了控制角與輸出電壓的非線性問題,并將延時(shí)環(huán)節(jié)等效為一階慣性環(huán)節(jié),利用線性系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)控制器。隨著數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算速度與計(jì)算精度已不會約束控制算法的實(shí)現(xiàn)[11],采用非線性補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)全局線性化成為可能,可以有效解決控制器在全局范圍內(nèi)性能不一致的問題。因此,本文采用這種方法實(shí)現(xiàn)全局線性化設(shè)計(jì),并通過仿真分析延時(shí)環(huán)節(jié)等效為一階慣性環(huán)節(jié)的限制條件,為控制器PI參數(shù)的選型提供依據(jù)。
圖1 大功率晶閘管整流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
圖1 是大功率晶閘管整流系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)主要由高壓部分、整流變壓器、晶閘管整流器、無功補(bǔ)償裝置等組成。高壓部分包括高壓電網(wǎng)和高壓開關(guān)柜。目前大功率晶閘管整流器有35kV、110kV、220kV這幾種電壓等級,且在往330kV及以上電壓方向發(fā)展。
整流變壓器用于將高壓電網(wǎng)電壓變換成整流裝置所需的電壓,并調(diào)整相位角以滿足網(wǎng)側(cè)和閥側(cè)的運(yùn)行要求[12]。常用晶閘管整流電路主要有雙反星和三相橋兩種[13]。三相橋電路主要應(yīng)用于高電壓場合,雙反星電路一般應(yīng)用在低壓大電流場合。
圖2為晶閘管整流器的控制器框圖。本文采用的晶閘管整流控制器是以TMS320F28335為核心的雙通道全數(shù)字控制結(jié)構(gòu),控制器A、B兩通道互為熱備冗余,當(dāng)主通道出現(xiàn)故障時(shí),備用通道自動無擾切換,以保證系統(tǒng)的可靠性和可用性。電流閉環(huán)控制算法由DSP軟件實(shí)現(xiàn),通過控制導(dǎo)通角,控制輸出直流電壓。同時(shí),可根據(jù)客戶不同的需求,增加無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行諧波濾波和無功補(bǔ)償。
圖2 大功率晶閘管整流器基本控制原理框圖
下面以三相全控橋式整流電路為例來進(jìn)行分析。晶閘管控制角α與整流器直流輸出平均電壓Ud(α)的關(guān)系見式(1)[14-15]。
式中,Urms為閥側(cè)相電壓有效值。
根據(jù)式(1)可得控制角α與直流輸出電壓Ud的關(guān)系見圖3(a),控制角與輸出電壓關(guān)系圖見圖3(b)。直流輸出電壓與控制角之間不是線性關(guān)系,需要線性化之后才可使用控制器進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[10]通過選定兩個(gè)參考工作點(diǎn),對直流平均電壓Ud(α)和控制角α之間關(guān)系式進(jìn)行泰勒展開,取其前兩項(xiàng),忽略高階項(xiàng),進(jìn)行局部線性化。
圖3 控制角與輸出電壓的關(guān)系
圖4 (a)為采用控制角α直接控制的控制框圖。此過程為非線性,本文構(gòu)造一個(gè)新的函數(shù)α(β),見圖4(b),使得當(dāng)β均勻變化時(shí),Ud也跟隨它均勻變化,見圖 4(c)。
圖4 非線性補(bǔ)償過程
根據(jù)以上分析,定義:
式中 β∈(0,120°)。
在三相電路整流控制系統(tǒng)的動態(tài)過程中,由于晶閘管是半控器件,其導(dǎo)通后,需要受到反向電壓作用才能截止,控制觸發(fā)信號的改變并不會立刻起作用。這一短時(shí)失控相當(dāng)于一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié),其對應(yīng)的傳遞函數(shù)為[10]:
在進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)時(shí),將其等效為一階慣性環(huán)節(jié):
目前對失控時(shí)間Td的取法大致有兩種,一種是每個(gè)周期控制一次脈沖觸發(fā)信號,此時(shí)Td=20 ms。另一種是按每個(gè)波頭控制一次脈沖觸發(fā)信號,此時(shí)Td=3.33 ms。
延時(shí)環(huán)節(jié)在低頻時(shí)段可以等效為慣性環(huán)節(jié),在高頻時(shí)段,延時(shí)環(huán)節(jié)是不穩(wěn)定,發(fā)散的。因此,將延時(shí)環(huán)節(jié)等效為慣性環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)出的PI參數(shù),在延時(shí)環(huán)節(jié)是否適用,需要進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
延時(shí)環(huán)節(jié)的系統(tǒng)控制框圖見圖5。
圖5 延時(shí)環(huán)節(jié)系統(tǒng)控制框圖
通過將其等效為慣性環(huán)節(jié),可求得閉環(huán)傳遞函數(shù)為:
簡單起見,只考慮臨界阻尼的情況,即ξ=1,此時(shí)有,kp=2Tdωn-1,ki=Tdωn2。
在Td=20 ms和Td=3.33 ms時(shí),取不同的ωn進(jìn)行仿真,延時(shí)環(huán)節(jié)的仿真結(jié)果分別見圖 6(a)、(b)、(c)和圖 7(a)、(b)、(c)。
圖6 Td=20 ms時(shí)延遲環(huán)節(jié)仿真結(jié)果波形圖
圖7 Td=3.33 ms時(shí)延遲環(huán)節(jié)仿真結(jié)果波形圖
由圖6可得,對于 Td=20 ms,當(dāng) ωn=25~33 rad/s時(shí),kp=0~0.32,ki=12.5~21.78,此時(shí)延時(shí)環(huán)節(jié)近似等于慣性環(huán)節(jié),系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)ωn<25 rad/s時(shí),系統(tǒng)仍可穩(wěn)定運(yùn)行,只是不是最小相位系統(tǒng);當(dāng)ωn>33 rad/s時(shí),延環(huán)節(jié)不受控,波形發(fā)散,系統(tǒng)不穩(wěn)定。故kp的實(shí)際可取值范圍為0~0.32,ki的實(shí)際可取值范圍為12.5~21.78。由圖7可得,對于Td=3.33 ms,當(dāng)ωn=151.51~235 rad/s 時(shí),kp=0~0.551,ki=75.75~182.24,此時(shí)延時(shí)環(huán)節(jié)近似等于慣性環(huán)節(jié),系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)ωn<151.51 rad/s時(shí),系統(tǒng)仍可穩(wěn)定運(yùn)行,只是不是最小相位系統(tǒng);當(dāng)ωn>235 rad/s時(shí),延時(shí)環(huán)節(jié)不受控,波形發(fā)散,系統(tǒng)不穩(wěn)定。故kp的實(shí)際可取值范圍為 0~0.551,ki的實(shí)際可取值范圍為 75.75 ~182.24。從上述分析可得到,在Td=3.33 ms時(shí),ωn=151.51~235 rad/s,系統(tǒng)穩(wěn)定,頻帶較大,動態(tài)響應(yīng)快。
晶閘管整流系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng),這會約束其全局性能及動態(tài)響應(yīng)特性,本文通過非線性補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行全局線性化,使得控制角與直流輸出平均電壓呈線性變化,有效解決了控制器在全局范圍內(nèi)性能不一致的問題。同時(shí)通過仿真實(shí)驗(yàn),得到了延時(shí)環(huán)節(jié)近似等效為一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)、的取值范圍,同時(shí)驗(yàn)證了當(dāng)時(shí),系統(tǒng)頻帶更寬,動態(tài)響應(yīng)更快。