基于自適應(yīng)準諧振控制的變頻器并聯(lián)VF開環(huán)均流控制策略

高巧玲,秦燦華

(1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院，湖南 株洲 412001;2.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

隨著變頻器應(yīng)用領(lǐng)域快速發(fā)展，各種大功率變頻應(yīng)用需求越來越多。變頻器機組并聯(lián)技術(shù)作為保障變頻器可靠性并快速擴展容量的方案得到廣泛應(yīng)用。特別是在并網(wǎng)設(shè)備應(yīng)用中并聯(lián)的優(yōu)勢更為明顯。但機組并聯(lián)面臨的最大問題是環(huán)流問題，由于機組硬件特性的差異，控制系統(tǒng)時序的差異等原因，導致并聯(lián)機組存在環(huán)流問題，環(huán)流問題嚴重影響系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。大量的文獻也對并網(wǎng)變流器并聯(lián)技術(shù)均流控制進行了研究[1-3]。但針對變頻器機組并聯(lián)用于輸出頻率時變的電機控制領(lǐng)域相關(guān)文獻較少。

VF開環(huán)控制是一種變頻器通用類控制算法，其最大的優(yōu)點是算法的簡易性與負載強適合性，但其在變頻器機組并聯(lián)應(yīng)用中容易出現(xiàn)不均流的問題。在保留VF開環(huán)控制對負載強適應(yīng)性的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)級聯(lián)型變頻器機組并聯(lián)均流控制對變頻器機組并聯(lián)及通用化具有重要意義。

諧振控制是一種基于內(nèi)模原理的控制算法，由于其開環(huán)增益在諧振頻率處接近無窮大，可有效抑制諧振頻率處的不平衡擾動分量[4-5]。文獻[5]根據(jù)擾動頻率特性，在并網(wǎng)電流閉環(huán)控制基礎(chǔ)上構(gòu)建基于諧振控制器的零序環(huán)流閉環(huán)控制來抑制并網(wǎng)設(shè)備中兩臺逆變器的零序環(huán)流。文獻[6]采用自適應(yīng)比例諧振控制器實現(xiàn)電網(wǎng)頻率漂移時的零穩(wěn)態(tài)誤差控制。文獻[7-9]根據(jù)準諧振控制器對特定頻率諧波的無窮大增益的特點，提出了一種永磁同步電動機共模電壓抑制方法和一種永磁同步電機弱磁區(qū)電流諧波抑制方法。文獻[10]引入比例諧振調(diào)節(jié)器抑制雙饋電機轉(zhuǎn)子電流無速度傳感器控制中的角頻率和轉(zhuǎn)差頻率的交流脈動。

本文分析了變頻器機組并聯(lián)環(huán)流產(chǎn)生機理，介紹了傳統(tǒng)VF開環(huán)控制策略和準諧振控制器控制模型。針對輸出頻率時變的特點，設(shè)計了一種基于頻率自適應(yīng)準諧振控制器的VF開環(huán)均流控制模型 ，在變頻器機組并聯(lián)與均流控制中取得了良好的效果。

1 機組并聯(lián)電路拓撲與環(huán)流產(chǎn)生機理

級聯(lián)型變頻器機組并聯(lián)電路拓撲如圖1所示。變頻器INV1、INV2主電路輸入端并聯(lián)接入電網(wǎng)，輸出端經(jīng)均流電抗器并聯(lián)接電機繞組，其它主電路及控制電路相對獨立。

圖1 級聯(lián)型變流器機組并聯(lián)拓撲

變頻器INV1的A相電壓模型：

(1)

根據(jù)PWM調(diào)制，其中INV1輸出電壓Ua1=k1UdcA1。

則式(1)可轉(zhuǎn)化為

(2)

同樣變頻器INV2的A相電壓模型為

(3)

式中,UdcA1、UdcA2；ia1、ia2；Ra1、Ra2；L1、L2分別為INV1與INV2對應(yīng)A相的直流電壓值、輸出電流值、線路等效電阻值、均流電抗值；Ea為電機A相輸入端電壓。

聯(lián)立式(2)和式(3)有，

(4)

由式 (4)可知，在INV1和INV2控制完全同步(k1=k2)的情況下，要實現(xiàn)ia1=ia1的均流，必須并聯(lián)變頻器主電路參數(shù)完全一致：UdcA1=UdcA2、Ra1=Ra2、L1=L2。

2 傳統(tǒng)開環(huán)控制模型

機組并聯(lián)模式下傳統(tǒng)開環(huán)控制框圖如下,通過INV1的控制器給定電壓幅值和頻率，并生成電壓實際值同步傳給INV2。

圖2 傳統(tǒng)開環(huán)控制框圖

由于實際上兩套控制系統(tǒng)的控制器無法完全同步，變頻器主電路電阻、電感、電容等參數(shù)也無法完全一致，導致機組并聯(lián)情況下無法通過簡單的傳統(tǒng)開環(huán)控制實現(xiàn)輸出均流控制。

從式(4)可知當UdcA1≠UdcA2、RA1≠Ra2、L1≠L2的情況下，要實現(xiàn)ia1=ia2，更好的方式是k1≠k2，即是通過合理的控制策略使兩個機組的輸出電壓各時刻不完全一致，以適應(yīng)兩個機組硬件的不一致性，從而達到并聯(lián)機組均流的目的。

3 基于準諧振控制器的VF均流控制策略

3.1 準諧振控制器

準諧振控制器的傳遞函數(shù)為[4-5]

(5)

式中,k為積分系數(shù),ωc為截止頻率,ω0為諧振頻率。

從傳遞函數(shù)上看，準諧振控制器與帶通濾波器一致，在諧振頻率ω0處增益無窮大，因此只對諧振頻率處的信號起作用，而對其他頻率的信號有很強的衰減作用，使與諧振頻率具有相同頻率的正弦信號實現(xiàn)零穩(wěn)態(tài)誤差控制[4-7]。利用這一特點可以設(shè)計一個準諧振電流控器，以INV1電流為給定量，使INV2電流零穩(wěn)態(tài)誤跟隨INV1的電流，實現(xiàn)并聯(lián)機組的均流控制。其中通過選擇合適的ωc可以減少準諧振控制器對信號頻率變化的敏感度，提高控制性能。

準諧振電流控器模型如圖3所示。

圖3 準諧振電流控器模型

3.2 其于頻率自適應(yīng)的準諧振控制器設(shè)計

與并網(wǎng)型變流器的網(wǎng)側(cè)控制其輸出頻率固定不同，機組并聯(lián)控制電機負載其輸出頻率是時變的，因此輸出電流諧振點也是時變的，為諧振控制器的設(shè)計帶來了困難。本文采用基于頻率自適應(yīng)策略來設(shè)計準諧振控制器參數(shù)，使其適應(yīng)并聯(lián)機組輸出全頻率范圍的均流控制。

為獲得更好的控制性能，對頻率自適應(yīng)準諧振控制器參數(shù)進行合理設(shè)計，圖4～圖6 給出不同參數(shù)下的準諧振控制器性能指標對比。

圖4中給出了積分系數(shù)k為300、600、1000情況下的波特圖；圖5中給出了截止頻率為5 Hz、10 Hz、15 Hz情況下的波特圖，從中可以看到控制器增益與積分系數(shù)成正比。控制器的帶寬隨著截止頻率的增加而變寬，但同時控制器增益也有一定降低。同時，相同的控制器參數(shù)針對不同的諧振頻率控制效果也一定差異。積分系數(shù)、截止頻率與對應(yīng)的諧振頻率存在最優(yōu)的配置。圖6給出了頻率自適應(yīng)準諧振控制器在10 Hz、30 Hz、50 Hz頻率點處的波特圖，從圖中可以看到經(jīng)過合理參數(shù)配置可以達到控制器對于不同諧振頻率點的控制效果基本一致。

圖4 不同k參數(shù)的波特圖

圖5 不同截止頻率的波特圖

圖6 不同諧振頻率的波特圖

3.3 其于頻率自適應(yīng)準諧振控制器的VF開環(huán)均流控制策略

結(jié)合頻率自適應(yīng)準諧振控制器基本原因，構(gòu)建了一種新型基于頻率自適應(yīng)準諧振控制器的機組并聯(lián)VF開環(huán)均流控制策略，控制框圖如圖7所示?？刂破魍ㄟ^頻率自適應(yīng)策略動態(tài)識別主機INV1的電流頻率與幅值大小，主機INV1與從機INV2的電流誤差通過準諧振控制器實時補償INV2的電壓給定，實現(xiàn)INV2的電流零穩(wěn)態(tài)誤差跟隨INV1電流大小。

圖7 新VF開環(huán)均流控制框圖

4 實驗驗證

為驗證方法的實用性與有效性，在大功率級聯(lián)型高壓變頻器機組并聯(lián)電源試驗臺上進行驗證。其中變頻器主控制芯片TMS320F2812、額定電壓10 kV，額定容量2.5 MVA；負載為異步電機,額定電壓10 kV,額定功率2.5 MW,額定頻率50 Hz。

圖8給出了傳統(tǒng)VF開環(huán)控制策略下并聯(lián)機組的電流均流情況，從波形上看均流特性較差，從電流FFT分析能明顯看到各個頻率的兩個機組的電流均有較大差異。

圖8 傳統(tǒng)VF開環(huán)均流控制

圖9中給出了新型開環(huán)控制策略下，并聯(lián)機組的均流波形，從圖9(a)中可以看到兩個機組a相電流ia1、ia2基本重合，從機INV2電流均能準確跟隨主機INV1的電流，正弦度高，均流特性很好。從圖9(b)中也可以看到諧振頻率50 Hz處ia1、ia2是完全重合的，其它頻率點處的重合度也比較高，說明準諧振控制器參數(shù)合理，很好的實現(xiàn)了并聯(lián)機組的均流控制。

圖9 新型VF開環(huán)均流控制波形

圖10中給出了新型開環(huán)控制策略在疊頻控制模式下的均流波形。從波形中可以看到電流波形中除了主頻50Hz外還同時存在一個40Hz為頻率幅電流，從電流FFT分析中可以看到在無論在主頻50Hz還是在幅頻40Hz處，從機INV2電流均能跟隨主機INV1的電流，均流特性很好。說明基于頻率自適應(yīng)準諧振控制器通過合理的參數(shù)設(shè)計不僅可以用于并聯(lián)機組標準正弦量的均流控制，還可以用于非標準正弦量的均流控制。

圖10 新型VF開環(huán)均流控制疊頻波形

5 結(jié) 語

為了保留通用性很強的VF開環(huán)控制算法在機組并聯(lián)均流控制上的應(yīng)用，本文結(jié)合準諧振控制器的原理、特點，以及電機控制輸出頻率時變的特點，提出了一種基于頻率自適應(yīng)的準諧振控制器應(yīng)于機組并聯(lián)VF開環(huán)均流控制。通過理論分析及仿真研究合理設(shè)計控制器參數(shù)，并在實際機組上進行了實驗驗證與應(yīng)用。

實驗結(jié)果證明新的控制策略能能很好的實現(xiàn)機組并聯(lián)情況下的VF開環(huán)均流控制。在實現(xiàn)并聯(lián)機組均流控制的同時保留了VF開環(huán)控制算法的優(yōu)勢。同時實驗也證明了新控制策略不僅用于標準正弦量的均流控制，還適應(yīng)于非標準正弦量的控制。在變頻器朝大功率及特大功率發(fā)展過程中，對通過機組并聯(lián)實現(xiàn)機組擴容的方案具有較強的實際指導意義。