張暉鵬,于海生,劉旭東,吳賀榮
(青島大學,青島 266071)
近年來,隨著現(xiàn)代電力電子技術和綠色能源技術的發(fā)展和需求,交直交變換器(以下簡稱AC-DC-AC)在各類電力電子領域得到了大范圍的應用[1-3]。針對由電力二極管組成的變流器存在著直流母線電壓不可控制、電機制動時產(chǎn)生的能量存在大量的諧波,無法回饋到電網(wǎng)中的問題[4-5],目前,變流器通常采用絕緣柵雙極型晶體管?;贏C-DC-AC的異步電機系統(tǒng)主要由兩個背靠背變流器組成,構(gòu)成了網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)。兩個變流器之間由直流支撐電容連接,具有儲存能量、穩(wěn)定直流側(cè)電壓,緩沖網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)的能量交換、濾除直流側(cè)電壓的諧波的作用[6-7]。
文獻[8]提出了對網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)電壓定向矢量控制、機側(cè)子系統(tǒng)磁場定向矢量控制,提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能,但存在直流母線電壓,當負載較大變化時,波動較大,抗干擾能力差的問題。針對基于AC-DC-AC的異步電機系統(tǒng),當異步電機負載發(fā)生較大變化時,連接網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)的電容無法儲存過多的能量,導致直流母線電壓波動較大的問題[9-10],文獻[11]提出了負載電流反饋的控制方法,通過調(diào)整網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)有功電流使直流母線電壓快速穩(wěn)定,但存在著延遲的問題。
本文采用積分反步與滑模相結(jié)合的控制方法,實現(xiàn)了基于AC-DC-AC的異步電機系統(tǒng)在負載發(fā)生較大變化時,直流母線電壓快速恒定且可控,系統(tǒng)起動時抑制電壓超調(diào),未知負載可觀測。將本文的控制策略和基于AC-DC-AC的異步電機系統(tǒng)在網(wǎng)、機兩側(cè)子系統(tǒng)通過矢量控制進行比較研究。
基于AC-DC-AC的異步電機系統(tǒng)由網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)兩部分組成,網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)采用積分反步與滑模相結(jié)合的控制方法,系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)主要由PWM變流器和電網(wǎng)組成,機側(cè)子系統(tǒng)主要由PWM變流器和異步電機組成,網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)由中間電容環(huán)節(jié)連接。
圖1 系統(tǒng)設計框圖
網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)變換器d,q軸下的模型[12]:
(1)
式中:igd,igq是在d,q軸上的電流值;ugd,ugq是在d,q軸上的電壓值;ed,eq是網(wǎng)側(cè)三相電壓在d,q軸上的值,并且eq的值為0;ωg為網(wǎng)側(cè)角速度;idc為網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)電流,udc為母線直流電壓;iL為負載電流,iC為電容電流。
異步電機在d,q軸下,按φrq=0,其數(shù)學模型[13]:
(2)
網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)采用積分反步與滑模相結(jié)合的控制方法??刂颇繕藶楸WC網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)單位功率因數(shù)運行;直流母線電壓可控;當機側(cè)子系統(tǒng)負載發(fā)生較大變化時,網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)直流母線電壓將發(fā)生較大變化,實現(xiàn)直流母線電壓快速恢復至恒定。網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)能量實現(xiàn)雙向流動。
3.1.1 電壓外環(huán)積分反步控制器設計
將網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)電壓外環(huán)的參考值與實際值誤差s0=Vdc-udc設定為虛擬控制誤差,可得:
(3)
式中:Vdc為電壓給定值。
構(gòu)建Lyapunov函數(shù):
(4)
求導得:
(5)
由式(1)中第三式、式(3)和式(5),可得:
(6)
3.1.2 電流內(nèi)環(huán)滑??刂破髟O計
網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)采用電容電流控制,從而達到直流母線電壓快速恒定的目的。如果網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)功率平衡,則:
Pg=Pm
(7)
式中:Pg為網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)功率;Pm為機側(cè)子系統(tǒng)功率。
網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)功率可表示:
(8)
機側(cè)子系統(tǒng)功率可表示:
(9)
整個系統(tǒng)流入電容的電流:
iC=idc-iL
(10)
則由整個系統(tǒng)推導可得:
(11)
選取電流內(nèi)環(huán)的滑模面:
(12)
選取指數(shù)趨近律:
(13)
式中:ε>0;k為待定系數(shù)。
由式(1)中第二和第三式、式(12)和式(13),可得:
(14)
式中:ε0>0;ε1>0;r0>0;r1>0;k1;k2為待定系數(shù)。
3.1.3 網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)電壓軟給定設計
將網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)直流母線電壓由階躍給定改為指數(shù)給定,從而抑制系統(tǒng)起動時電壓超調(diào)和沖擊電流過大的問題[14]。設計如下:
Vdc=Vdcm(1-e-t/T)
(15)
式中:Vdcm為電壓穩(wěn)態(tài)值;Vdc為電壓設定值;t為運行時間;T為時間常數(shù)。
機側(cè)子系統(tǒng)采用積分反步與滑模相結(jié)合的控制方法。控制目標為異步電機機械角速度達到設定值,網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)能量實現(xiàn)雙向流動。負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時,可通過滑模觀測器觀測。
3.2.1 滑模觀測器設計[15]
基于AC-DC-AC的異步電機系統(tǒng),在實際運行情況下,機側(cè)子系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩變化是未知的,需采用觀測器觀測系統(tǒng)中未知的負載轉(zhuǎn)矩[16-17]。本文采用滑模觀測器,對未知負載進行觀測。將異步電機的負載轉(zhuǎn)矩和機械角速度作為狀態(tài)變量,可得:
(16)
(17)
(18)
(19)
3.2.2 轉(zhuǎn)子角速度外環(huán)和磁鏈外環(huán)積分反步控制器設計
將機側(cè)子系統(tǒng)轉(zhuǎn)子角速度外環(huán)的參考值與實際值誤差s5=ωm0-ωm設定為虛擬控制誤差,可得:
(20)
構(gòu)建Lyapunov函數(shù):
(21)
對V3求導,可得:
(22)
由式(2)中第一式、式(20)和式(22),可得:
(23)
(24)
構(gòu)建Lyapunov函數(shù):
(25)
對V4求導,可得:
(26)
由式(2)中第二式、式(24)和式(26),可得:
(27)
3.2.3 電流內(nèi)環(huán)滑??刂破髟O計
設計電流內(nèi)環(huán)滑模面:
(28)
選取指數(shù)趨近律:
(29)
式中:ε>0;k為待定系數(shù)。
由式(2)中第三和第四式、式(28)和式(29),可得:
(30)
式中:ε2>0;ε3>0;r2>0;r3>0;k6;k7為待定系數(shù)。
本文用MATLAB/Simulink仿真軟件對基于AC-DC-AC的異步電機系統(tǒng)控制方法進行仿真分析。
網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)參數(shù):R=1 Ω,Em=380 V,ωg=100 rad/s,C=1 100 μF,r0=r1=0.01,ε0=ε1=2.5,Vdcm=650 V,Vdc=650 V,L=15 mH,T=0.05 s,k0=20,k1=100,k2=150,kc=7.5。
機側(cè)子系統(tǒng)參數(shù):異步電機電壓V=380 V,Rs=0.214 7 Ω,Rr=0.642 Ω,Jm=0.03 kg·m2,fn=50 Hz,p=2,ε2=ε3=0.1,Lr=0.0852H,r3=5000,r4=5 000,k3=300,g=-2.5,k4=500,k5=100,k6=700,k7=1 200,kq=400,kd=80。
網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)直流母線電壓曲線如圖2、圖3所示。從圖2看出,當系統(tǒng)運行時,積分反步與滑??刂频闹绷髂妇€電壓能夠穩(wěn)定在電壓設定值處。在加入電壓軟給定后,直流母線電壓的超調(diào)得到有效抑制。從圖3看出,電壓定向矢量控制超調(diào)量超過恒定值的15%,調(diào)節(jié)時間為0.08 s,積分反步與滑??刂萍尤腚妷很浗o定后,超調(diào)量超出恒定值的4%,調(diào)節(jié)時間為0.04 s。因此,積分反步控制與滑??刂票入妷憾ㄏ蚴噶靠刂菩Ч?。
圖2 直流母線電壓曲線
圖3 直流母線電壓對比曲線 機側(cè)子系統(tǒng)異步電機機械角速度對比曲線如圖4所示,電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩對比曲線如圖5所示。從圖4和圖5看出,基于AC-DC-AC的異步電機系統(tǒng)實現(xiàn)了四象限運行。在0~1 s時,ωm>0,eT=Te-TL>0,此時系統(tǒng)運行在第一象限;在1~2 s時,ωm>0,eT=Te-TL<0,此時系統(tǒng)運行在第二象限;在2~3 s時,ωm<0,eT=Te-TL>0,此時系統(tǒng)運行在第三象限;在3~4 s時,ωm<0,eT=Te-TL<0,此時系統(tǒng)運行在第四象限。相比于磁場定向矢量控制,積分反步與滑模相結(jié)合的控制在異步電機機械角速度、電磁轉(zhuǎn)矩方面的控制效果更優(yōu),控制精度更好。
圖4 機側(cè)角速度對比曲線
圖5 轉(zhuǎn)矩對比曲線
在機側(cè)子系統(tǒng)負載突加8 N·m時,積分反步與滑??刂坪碗妷憾ㄏ蚴噶靠刂茖Ρ惹€如圖6所示,滑模觀測器觀測曲線如圖7所示。從圖6看出,積分反步與滑模控制比電壓定向矢量控制過渡時間短,系統(tǒng)控制精度高。從圖7看出,滑模觀測器對機側(cè)子系統(tǒng)負載的變化可觀測并且能夠精確快速跟蹤。
圖6 突加負載直流
圖7 負載轉(zhuǎn)矩觀測曲線
本文研究基于AC-DC-AC的異步電機系統(tǒng),采用積分反步與滑模相結(jié)合的控制方法,實現(xiàn)了四象限運行、直流母線電壓恒定可控、網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機側(cè)子系統(tǒng)之間能量雙向流動的預期目標。針對負載變化較大時,直流母線電壓出現(xiàn)波動大的問題,本文網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)電流內(nèi)環(huán)采用電容電流控制,保證了直流母線電壓能夠快速恢復恒定且可控。本文提出了網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)的電壓軟給定,解決了在基于AC-DC-AC的異步電機系統(tǒng)剛起動時,直流母線電壓存在超調(diào)的問題。機側(cè)子系統(tǒng)采用了滑模觀測器,保證了當機側(cè)子系統(tǒng)的負載發(fā)生變化時,能夠?qū)ξ粗撦d轉(zhuǎn)矩進行跟蹤和觀測。仿真實驗中,將提出的控制策略和矢量控制進行比較,仿真結(jié)果表明,本文提出的控制策略優(yōu)于矢量控制,具有一定的應用參考價值。