馬 丁

(南昌航空大學(xué)科技學(xué)院，江西 南昌 330034)

1 引言

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

對軟啟動電路平滑過渡控制是建立在對軟啟動電路控制約束參量模型分析基礎(chǔ)上，采用負(fù)荷的波動性調(diào)節(jié)方法進行軟啟動電路平滑過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，提高軟啟動電路平滑過渡控制能力。傳統(tǒng)方法中，對軟啟動電路進行平滑過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電路系統(tǒng)控制模型，結(jié)合對軟啟動電路系統(tǒng)的直流多功率耦合控制進行控制算法設(shè)計。文獻[5]中提出一種基于模糊PID增益調(diào)節(jié)的軟啟動電路平滑過渡控制方法，采用離散傅里葉分析和頻域分析方法進行軟啟動電路平滑過渡控制，結(jié)合直流多功率增益調(diào)節(jié)實現(xiàn)軟啟動電路平滑過渡控制，但該方法的自動控制性能不好，收斂性不強。文獻[6]中提出基于非同步耦合調(diào)制的軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制方法，進行軟啟動電路的直流間諧波動抑制，實現(xiàn)抗電感干擾平滑過渡控制，該方法進行軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制的穩(wěn)定性較好，但輸出增益不高。

針對上述問題，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電路平滑過渡控制方法。構(gòu)建軟啟動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)制方法進行電路的抗電感干擾設(shè)計，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行軟啟動電路的超低頻振蕩抑制，通過直流調(diào)制量自動跟隨調(diào)節(jié)方法控制軟啟動電路的平滑過渡。最后進行仿真分析，展示了本文方法在提高軟啟動電路平滑過渡控制能力方面的優(yōu)越性能。

2 軟啟動電路控制約束參量分析及抗電感干擾設(shè)計

2.1 軟啟動電路模塊化多電平控制結(jié)構(gòu)模型

為實現(xiàn)軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制，利用機組調(diào)速系統(tǒng)耦合調(diào)節(jié)方法構(gòu)建軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制的對象模型。針對軟啟動電路的單極性特點[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)建軟啟動電路平滑過渡控制的負(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)建軟啟動電路的模糊控制對象模型，用如下二元微分方程表述

(1)

式中，LQ表示電機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，以滿足實際需要，得到軟啟動電路的波動性控制方程表示

(4)

式中，v是振蕩能量；x1是子模塊電容電壓；x2是輸入信號的一階導(dǎo)數(shù)；h為模塊化多電平控制步長，采用外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的聯(lián)合控制方法，在驅(qū)動等交直流變換場合中，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，增大h0進行直接耦合式調(diào)節(jié)；h，h0是準(zhǔn)諧振子模塊的耦合參數(shù)，由此構(gòu)建軟啟動電路的平滑過渡控制約束參量模型，進行軟啟動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)中擾動數(shù)據(jù)，可采用序貫減薄算法獲取電路的擾動數(shù)據(jù)，并根據(jù)獲取數(shù)據(jù)進行分析。

擾動數(shù)據(jù)的提取可通過數(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)過計算得到減薄后的擾動數(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。

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

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

Lx=(1-k2)L11

(6)

Lmx=k2L11

(7)

(8)

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

圖1 軟啟動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)

通過對上下橋臂和直流側(cè)輸出功率的穩(wěn)定性調(diào)節(jié)，進行軟啟動電路抗電感干擾平滑過渡控制的優(yōu)化求解，實現(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)系下軟啟動電路的直流多功率穩(wěn)態(tài)特征量在諧振點附近的功耗為

(12)

軟啟動電路的抗電感干擾平滑過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，得到軟啟動電路的擾動電流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)建軟啟動電路的LM-Smith時滯項vsec為

vsec(t)=Vouts[sin(ωt-θ)]

(15)

根據(jù)方波電壓幅值大小，得到軟啟動電路的導(dǎo)磁率為

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

(16)

對以上方程進行聯(lián)立求解，以軟啟動電路的電損耗為控制指標(biāo)，進行軟啟動電路的抗電感干擾調(diào)節(jié)和平滑過渡控制[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)方法進行軟啟動電路的等交直流變換穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，進行軟啟動電路平滑過渡控制的優(yōu)化設(shè)計，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電路平滑過渡控制方法。構(gòu)建軟啟動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)方法進行軟啟動電路的等交直流變換穩(wěn)態(tài)性調(diào)節(jié)，軟啟動電路平滑過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投切調(diào)制方法進行軟啟動電路的直流調(diào)節(jié)誤差修正，軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制模型滿足Gm(s)=G0(s)，tm=τ，計算逆變器輸出電壓，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，軟啟動電路的抗電感干擾平滑過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，得到軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制的輸出增益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，實現(xiàn)電壓自均衡直接耦合調(diào)節(jié)和過渡控制。

3.2 軟啟動電路平滑過渡控制

計算軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制系統(tǒng)狀態(tài)差值，采用非線性反饋調(diào)節(jié)方法，進行軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制的模糊調(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)受到擾動后，結(jié)合直流最大可控功率調(diào)制方法進行電路的抗電感干擾設(shè)計，得到帶直流偏置控制采樣周期內(nèi)的軟啟動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，進行抗電感干擾平滑過渡控制[15]。

4 仿真與結(jié)果分析

為了測試本文方法在實現(xiàn)軟啟動電路平滑過渡控制中的應(yīng)用性能，進行仿真，實驗采用Matlab Simulink模擬軟啟動電路的仿真環(huán)境，設(shè)置電容電壓紋波系數(shù)為0.25，開關(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)計見表1。

表1 電路參數(shù)設(shè)計

根據(jù)上述仿真參數(shù)設(shè)定，進行軟啟動電路平滑過渡控制的仿真，得到不同電感干擾下，通過電路平滑過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行軟啟動電路的超低頻振蕩抑制，得到不同方法進行啟動電路平滑控制的輸出功率測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 輸出功率測試結(jié)果

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

5 結(jié)語

為了提高軟啟動電路的平滑過渡控制效能，從而提高軟啟動電路的輸出穩(wěn)定性，需要進行軟啟動電路的抗干擾設(shè)計，結(jié)合對軟啟動電路的平滑過渡控制優(yōu)化設(shè)計，進行軟啟動電路的優(yōu)化設(shè)計和控制，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電路平滑過渡控制方法。構(gòu)建軟啟動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)制方法進行電路的抗電感干擾設(shè)計，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，通過直流調(diào)制量自動跟隨調(diào)節(jié)方法進行軟啟動電路平滑過渡控制。研究得知，本文方法進行軟啟動電路平滑過渡控制的輸出增益較高，抗干擾能力較強。