機(jī)車主斷路器儲能電容恒流充電控制

宋玉帛, 馬少華

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

斷路器是機(jī)車的主要部件,由于機(jī)車使用25 kV單相工頻交流電,為了保證三相供電負(fù)荷的平衡,提高電力系統(tǒng)利用率[1],電力機(jī)車每行駛一段距離需要進(jìn)入分相區(qū)進(jìn)行換相。機(jī)車經(jīng)過分相區(qū)前需要斷開主斷路器,依靠慣性通過分相區(qū)后再閉合主斷路器。因此機(jī)車主斷路器動作頻繁,達(dá)到20 000次/a,動作時(shí)間為20～60 ms,電磁操動機(jī)構(gòu)需要較大勵(lì)磁電流,常用電容作為斷路器的儲能裝置。頻繁的大電流充電降低電容使用壽命,不僅會增加維修次數(shù),而且電容容量變化會導(dǎo)致同等充電電壓下分/合閘線圈勵(lì)磁電流變化,機(jī)構(gòu)電磁力也會明顯變化,動作時(shí)間改變,為同步分/合閘技術(shù)增加難度。通過對儲能電容充電電流的控制能夠提高機(jī)車斷路器儲能電容的壽命,在保證機(jī)車分/合閘安全可靠的前提下減少檢修次數(shù)。

針對永磁斷路器的分/合閘電容器組的充電方法,國內(nèi)外學(xué)者在PWM控制、全橋串聯(lián)諧振模型的電容器恒流充電等方面開展了研究,取得一定研究成果。文獻(xiàn)[2]針對現(xiàn)有電容器工頻充電存在的不足,提出一種基于全橋串聯(lián)諧振的電容器恒流充電方法,改善電路品質(zhì),提高電容器儲能密度。危立輝等[3]利用開環(huán)PWM控制技術(shù),單片機(jī)查詢表格的占空比方式實(shí)現(xiàn)對儲能電容的恒流充電。文獻(xiàn)利用PWM控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對儲能電容的恒流充電,但具體PWM脈沖則需要人工試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)的方式來獲得,對實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)精確控制恒流充電效果欠佳。文獻(xiàn)[4]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID充電控制技術(shù),可動態(tài)調(diào)整充電電流以實(shí)現(xiàn)分/合閘儲能電容恒流充電效果,有效地提高儲能電容的工作壽命與可靠性。

本文采用的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID充電控制技術(shù)要求處理器具有較高的處理速度,但運(yùn)算復(fù)雜,增加機(jī)車真空斷路器整體的造價(jià)。

1 RC充電分析

在充電過程中,電源供給的能量一部分轉(zhuǎn)換成電場能量存儲于電容中,一部分將被電阻轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋ｋ娮柘牡碾娔転?/p>

(1)

由式(1)可知,不論充電電路中C和R的數(shù)值,在充電過程中,電源提供的能量只有一半轉(zhuǎn)變成電場能量存儲于電容中,充電效率只有50%,帶來的實(shí)際問題是電阻不僅發(fā)熱影響設(shè)備工作和浪費(fèi)電能,而且充電時(shí)間取決于RC常數(shù),不能滿足充電可調(diào)可控的要求。因此,本文采用模糊控制方法輸出占空比變化的方波調(diào)控電容的充電電壓,加大充電開關(guān)導(dǎo)通的有效時(shí)間。這種用開關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來控制平均充電電流,既可有效避免大電流充電對電容的損害又提高電容的充電時(shí)間和能量利用效率[5]。

控制策略流程如圖1所示。

圖1中將電容實(shí)際充電電流作為反饋,與設(shè)定值3 A比較,將所得誤差c與誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入,通過建立的模糊控制表格輸出占空比變化的方波控制Buck電路的輸出,從而調(diào)整電容的充電電流,保持在約3 A。

2 模糊控制器設(shè)計(jì)流程

選取實(shí)際電容電流與設(shè)定值之間的偏差e及其變化率作為模糊控制器的輸入,u為輸出。模糊控制器設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是模糊控制器。確定模糊控制器結(jié)構(gòu),建立模糊控制規(guī)則是核心問題,還包括設(shè)計(jì)模糊化模塊,確定模糊子集隸屬函數(shù),設(shè)計(jì)清晰化模塊和清晰化方法等,通常模糊控制規(guī)則都是根據(jù)人工操作經(jīng)驗(yàn)完成的[6-11]。

2.1 模糊控制器的輸入/輸出

機(jī)車直流屏電壓為110 V,研究電磁機(jī)構(gòu)所需儲能電容參數(shù)為400 V、20 mF,由于機(jī)車直流電源在70～138 V波動,因此升壓部分需要控制電路使其輸出穩(wěn)定400 V直流電壓為電容充電。此部分電路不予研究,本文只討論當(dāng)機(jī)車直流電壓經(jīng)過升壓電路形成穩(wěn)定直流電壓之后,對電容的充電控制,模糊控制器輸出占空比變化的方波控制Buck電路實(shí)現(xiàn)對20 mF電容的模糊恒流充電控制。選取電容充電電流i與設(shè)定值的偏差以及偏差的變化率作為模糊控制器輸入,u為輸出,根據(jù)模糊控制器的輸出值,不斷改變Buck電路控制端的方波占空比來改變電容充電電壓,以維持充電電流的恒定。

2.2 模糊控制規(guī)則的建立

為了提高恒流充電控制的精度,將偏差e和偏差變化率ec劃分為7個(gè)論域,分別是NL、NM、NS、ZO、PS、PM、PL,形成49條控制及規(guī)則。誤差e隸屬函數(shù)及模糊子集如圖3所示。誤差變化率ec隸屬函數(shù)及模糊子集如圖4所示。

模糊控制器輸入的誤差e和誤差變化率ec都是清晰量,是Simulink在實(shí)際充電過程中檢測到的具體數(shù)值,在以人的操作經(jīng)驗(yàn)推理前要進(jìn)行模糊化,將其映射到模糊子集,本文選取7個(gè)模糊子集,有利于提高控制精度。模糊子集的隸屬函數(shù)選擇高斯型和三角型,對于e和ec較小的ZO子集選取較陡的三角形函數(shù),使系統(tǒng)具有較高分辨率,增加控制靈敏度。通過不同隸屬函數(shù)的選取和仿真,取得較好效果,分析實(shí)際e和ec的變化情況根據(jù)人為控制經(jīng)驗(yàn)建立模糊控制規(guī)則,輸出占空比變化的方波改變電容充電電壓,得到模糊控制輸出量曲面圖。模糊控制輸出量曲面如圖5所示。

由圖5可見,曲面連續(xù)光滑,中間部分比較陡峭,因此設(shè)計(jì)的模糊控制器在設(shè)定值附近具有較高的靈敏度,能夠?qū)崿F(xiàn)電容恒流充電。

建立模糊控制規(guī)則后,會生成模糊控制輸出量曲面,設(shè)計(jì)模糊控制器為二輸入一輸出,因此用空間曲面可將論域中輸出量和輸入量之間的關(guān)系表示出來,反復(fù)修改控制規(guī)則和隸屬函數(shù)使得空間曲面連續(xù)光滑。

輸出u模糊函數(shù)及子集如圖6所示。本文采用centroid重心法將得到的多段隸屬函數(shù)轉(zhuǎn)化為輸出論域中的具體數(shù)值。生成二維表格,以提高系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性。

函數(shù)表達(dá)式為

(2)

式中:A(u)——論域U上的模糊集合的隸屬函數(shù);

Ucen——面積中心對應(yīng)的橫坐標(biāo)。

通過式(2),能實(shí)現(xiàn)模糊集合到清晰值的轉(zhuǎn)化。模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

3 仿真模型建立

為了驗(yàn)證模糊控制方法的控制性能,搭建Simulink仿真電路,將設(shè)計(jì)好的模糊控制器導(dǎo)出為二維表格,以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。使用了兩個(gè)函數(shù)模塊,分別用來計(jì)算誤差變化率和產(chǎn)生固定頻率的方波。

Simulink中搭建的電容恒流充電仿真直流電源400 V的Buck電路和模糊控制系統(tǒng),采集電容實(shí)際電流i與設(shè)定值3 A之差以及誤差變化率ec,通過查表的方式得到占空比0～1的10 kHz方波控制Buck電路,改變Buck電路輸出電壓的方式調(diào)節(jié)充電電流,保持充電電流的恒定。Delay模塊代表控制系統(tǒng)移植到處理器上所需的處理時(shí)間,具體參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際調(diào)整。Ke和Kc為量化因子,再經(jīng)由限制模塊將e和ec限制在所設(shè)定的論域內(nèi),Ku為比例因子,該模塊能對輸入模糊控制器的清晰信號比例縮放,具有改善模糊控制器性能的作用。PWM模塊接受0～1之間的數(shù)據(jù)產(chǎn)生10 kHz不同占空比的方波,實(shí)現(xiàn)對電容充電電壓的控制,將充電電流維持在設(shè)定值附近。相關(guān)仿真參數(shù)如表2所示。

表2 相關(guān)仿真參數(shù)

模糊控制下電容充電電流波形如圖7所示。由圖7可見,電容充電電流在3 A附近波動,基本恒定。另外,從電容電壓仿真結(jié)果來看,電容電壓在尚未達(dá)到額定電壓前一直線性增加,因此仿真結(jié)果表明了模糊控制器的有效性。

由仿真結(jié)果分析可知,在不加限流電阻情況下,由模糊控制器輸出方波控制電容充電電壓,能夠保證電容充電電流在設(shè)定值3 A附近波動,電容電壓線性增加,避免大電流反復(fù)對電容充電造成的沖擊,并且降低損耗。圖7給出了1 s時(shí)間的波形,電容電壓尚未達(dá)到設(shè)定值,約經(jīng)過2.7 s電容電壓達(dá)到400 V,電流逐漸減少到0,模糊控制器輸出占空比為1,電容充電過程完成。通過對PWM發(fā)生器占空比的上限進(jìn)行限制,能夠起到調(diào)節(jié)電容充電電壓的效果。

不采用模糊控制的充電電流如圖8所示。由圖8可知,若不加控制電容充電初期承受很大的沖擊電流,若增加限流電阻雖然能限制大電流,但是充電時(shí)間和損耗也會隨著電阻值的增加而增加,頻繁分相分/合閘又是機(jī)車必不可少的,長期充放電必會降低電容使用壽命。因此,采用模糊控制不斷調(diào)整電容的充電電壓,還能夠有效抑制電容承受的大電流。本文用二維表格代替模糊控制器,將復(fù)雜的模糊控制推理過程用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),降低實(shí)際使用中控制系統(tǒng)對處理器的性能要求,降低編程難度,僅需在控制器中存儲相應(yīng)的二維表格,提高運(yùn)算速度。

4 結(jié) 語

本文從調(diào)整Buck電路占空比參數(shù)角度出發(fā),設(shè)計(jì)了用于機(jī)車主斷路器電磁機(jī)構(gòu)電容儲能裝置的恒流充電模糊控制系統(tǒng),并用Simulink搭建主電路和控制電路進(jìn)行仿真,實(shí)現(xiàn)電容充電電流恒流并可設(shè)定的目的。模糊控制系統(tǒng)以電容實(shí)際電流與設(shè)定值之差和偏差變化率為輸入,通過仿真比較調(diào)整隸屬函數(shù)和模糊控制規(guī)則,最終得到儲能電容經(jīng)Buck電路恒流充電的仿真結(jié)果,提高儲能電容使用壽命。由于電容不會受到大電流沖擊,使得電容本身參數(shù)穩(wěn)定,降低機(jī)車真空斷路器電容儲能裝置問題的故障率。