抗電感干擾的軟啟動電路平滑過渡控制仿真

馬 丁

(南昌航空大學科技學院，江西 南昌 330034)

1 引言

軟啟動電路廣泛應用在電機啟動和直流電機組的調速系統中，通過軟啟動電路進行輸出電壓和電流的自適應調節，提高電機輸出的平穩性。在軟啟動電路設計中，受到電感擾動以及超低頻振蕩因素的影響，導致軟啟動電路的輸出穩定性較差。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定性，需要進行軟啟動電路的抗干擾設計[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上，采用負荷的波動性調節方法進行軟啟動電路平滑過渡控制和直流多功率穩態調節[2]。結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、積分控制方法和穩態耦合控制方法等[3-4]，建立不同頻率的軟啟動電路系統控制模型，結合對軟啟動電路系統的直流多功率耦合控制進行控制算法設計。文獻[5]中提出一種基于模糊PID增益調節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，結合直流多功率增益調節實現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。構建軟啟動電路的模塊化多電平控制結構模型，結合直流最大可控功率調制方法進行電路的抗電感干擾設計，減小系統的暫態能量變化。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，通過直流調制量自動跟隨調節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越性能。

2 軟啟動電路控制約束參量分析及抗電感干擾設計

2.1 軟啟動電路模塊化多電平控制結構模型

為實現軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制，利用機組調速系統耦合調節方法構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，構建軟啟動電路平滑過渡控制的負阻尼約束參量模型。采用多直流的分散協調控制方法，構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阻尼系數，UE是多直流協調控制系統的側電壓。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)

構建多直流協調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數；h為模塊化多電平控制步長，采用外環和電流內環的聯合控制方法，在驅動等交直流變換場合中，直流指令輸出濾波因子為h0，當h值不變且輸入交流端口的電壓穩定時，增大h0進行直接耦合式調節；h，h0是準諧振子模塊的耦合參數，由此構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態調節，提高抗電感干擾能力。

2.2 擾動數據提取

為分析抗電感干擾，需提取電路系統中擾動數據，可采用序貫減薄算法獲取電路的擾動數據，并根據獲取數據進行分析。

擾動數據的提取可通過數學形態學序貫減薄的方法，即

X⊕T=X/(X?T)

(5)

式中，X為電路電流接收數據；結構元T采用結構元表中的模板。經過計算得到減薄后的擾動數據，該算法具有穩定數據各分量的拓撲鄰接關系的優點。

依據形態學中序貫減薄計算方法，能夠得到擾動數據。該擾動數據中含有大量環形節點，該節點具有非單像素寬的特點。能夠對下方端點和短線段及節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，需要消除擾動數據中的環形節點。在僅保留矢量化所需要的圖像節點。矢量化所需要的擾動數據節點是由短線段相交而成。矢量化前必須完成擾動數據的端點與節點的提取，將環形節點的全部擊中溶于數據中能夠有利于形態學計算的黏連節點的提取，再將黏連節點進行近臨節點合并，使它就近成為正確節點，黏連節點的提取其實就是將擾動的數據歸一化的過程，系統中擾動數據的提取有益于提高系統數據的精度。

2.3 抗電感干擾設計

通過上述步驟提取系統擾動數據后，結合直流最大可控功率調制方法進行電路的抗電感干擾設計，減小系統的暫態能量變化[9]，在上述進行了軟啟動電路控制約束參量模型參數設計的基礎上，采用負荷的波動性調節方法進行軟啟動電路的抗電感干擾設計，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)

以交流環流分量為控制代價參量，以設高壓大容值的電容為輸入，在諧振點控制采樣周期內進行軟啟動電路的阻抗匹配，得到軟啟動電路的準諧振子模塊的匹配電路模型，由此構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

根據圖1所示的等效電路模型，在輸出側加裝諧振電感，電感參數為

(9)

(10)

通過對上下橋臂和直流側輸出功率的穩定性調節，進行軟啟動電路抗電感干擾平滑過渡控制的優化求解，實現功率解耦控制[10]。采用直接耦合式 MMDCT調節方法，得到軟啟動電路的耦合電感為

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

(11)

求出同步旋轉坐標系下軟啟動電路的直流多功率穩態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)

采用直流側的交流環流調節方法，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節模式，構建軟啟動電路的LM-Smith時滯項vsec為

vsec(t)=Vouts[sin(ωt-θ)]

(15)

根據方波電壓幅值大小，得到軟啟動電路的導磁率為

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

(16)

對以上方程進行聯立求解，以軟啟動電路的電損耗為控制指標，進行軟啟動電路的抗電感干擾調節和平滑過渡控制[11-12]。

3 控制模型優化

3.1 電壓自均衡直接耦合調節

在上述構建了軟啟動電路的模塊化多電平控制結構模型，并采用子模塊串聯支撐調節方法進行軟啟動電路的等交直流變換穩態性調節的基礎上，進行軟啟動電路平滑過渡控制的優化設計，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。構建軟啟動電路的模塊化多電平控制結構模型，采用子模塊串聯支撐調節方法進行軟啟動電路的等交直流變換穩態性調節，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制方法進行軟啟動電路的直流調節誤差修正，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，得到電壓自均衡直接耦合調節輸出為

(23)

添加輸入濾波電感Li，電流環控制傳遞函數為

(24)

考慮頂端電容Ctop對直流側能量的影響，導通壓降和電容電壓紋波存在如下關系

(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，滯后環節分別為Gm(s)e-tms與Gm(s)，綜上分析，實現電壓自均衡直接耦合調節和過渡控制。

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狀態差值，采用非線性反饋調節方法，進行軟啟動電路的抗電感干擾平滑過渡控制的模糊調度，得到非線性反饋調節式表示

(26)

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

在系統受到擾動后，結合直流最大可控功率調制方法進行電路的抗電感干擾設計，得到帶直流偏置控制采樣周期內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合微分方程為

(30)

根據上述公式，建立不同頻率系統間的電力系統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 仿真與結果分析

為了測試本文方法在實現軟啟動電路平滑過渡控制中的應用性能，進行仿真，實驗采用Matlab Simulink模擬軟啟動電路的仿真環境，設置電容電壓紋波系數為0.25，開關頻率為1200kHz，子模塊電容為1.5PF，輸出電壓120V，振蕩周期內系統暫態能量為2000kJ，其它參數設計見表1。

表1 電路參數設計

根據上述仿真參數設定，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果如圖3所示。

圖3 輸出功率測試結果

分析仿真結果得知，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定性，需要進行軟啟動電路的抗干擾設計，結合對軟啟動電路的平滑過渡控制優化設計，進行軟啟動電路的優化設計和控制，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。構建軟啟動電路的模塊化多電平控制結構模型，結合直流最大可控功率調制方法進行電路的抗電感干擾設計，減小系統的暫態能量變化。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，通過直流調制量自動跟隨調節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。