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風(fēng)電變流器
電流環(huán)控制
摘要：滯環(huán)控制是一種應(yīng)用很廣泛的閉環(huán)電流跟著控制方法，通常以響應(yīng)速度快和結(jié)構(gòu)簡單而著稱。傳統(tǒng)滯環(huán)電流采用模擬器件實(shí)現(xiàn)的方式，即采用硬件電路設(shè)計(jì)滯環(huán)比較器，其滯環(huán)寬度固定，但開關(guān)頻率不固定，高低懸殊，有時(shí)會出現(xiàn)很窄的脈沖和很大的電流尖峰，且最高頻率難以控制，易超過器件開關(guān)頻率的上限。本文通過對滯環(huán)比較器的控制原理和開關(guān)頻率的分析，在原有控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合軟件和硬件資源，設(shè)計(jì)了一種新型的可變帶寬、固定頻率的滯環(huán)電流控制方式。經(jīng)廠內(nèi)測試以及工程應(yīng)用，性能均優(yōu)于原有的滯環(huán)控制器。
第一章技術(shù)背景
滯環(huán)控制以響應(yīng)速度快和結(jié)構(gòu)簡單而著稱，是一種應(yīng)用很廣泛的閉環(huán)電流跟蹤控制方法。在各種變流器控制系統(tǒng)中，滯環(huán)控制單元一般同時(shí)兼有兩種職能，一是作為閉環(huán)電流調(diào)節(jié)器，二是起著PWM調(diào)節(jié)器的作用，即將電流參考信號轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的開關(guān)指令信號，控制功率器件的導(dǎo)通和關(guān)閉。
傳統(tǒng)滯環(huán)電流采用模擬器件實(shí)現(xiàn)的方式，即采用硬件電路設(shè)計(jì)滯環(huán)比較器，其滯環(huán)寬度固定，但開關(guān)頻率不固定，高低懸殊，有時(shí)會出現(xiàn)很窄的脈沖和很大的電流尖峰，且最高頻率難以控制，易超過器件開關(guān)頻率的上限。
從整體上說，這種滯環(huán)比較器回差值固定，調(diào)節(jié)時(shí)需要變動電路中的元件參數(shù)，不利于電路的優(yōu)化運(yùn)行。
在此基礎(chǔ)上，我司變流器控制系統(tǒng)目前采用雙環(huán)控制，外環(huán)為電壓環(huán)，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)采用PI控制策略，將電壓環(huán)PI出來的有功電流信號id和無功電流信號iq經(jīng)過反dq變換生成電流給定值，再直接下發(fā)到硬件控制板，通過硬件滯環(huán)比較的方式來實(shí)現(xiàn)PWM波的生成。
第二章電流環(huán)控制優(yōu)化設(shè)計(jì)
2.1 控制原理分析
一般情況下，滯環(huán)比較器均采用對稱方式。如圖1所示。
h為對稱滯環(huán)比較器的滯環(huán)寬度絕對值，當(dāng)error>h時(shí)，輸出PWM=1，變換器輸出電壓U0=Ud，負(fù)載電流Ig上升；當(dāng)error<-h時(shí)，輸出pwm=0，變換器輸出電壓u0=-ud，負(fù)載電流ig下降。依此反復(fù)，便實(shí)現(xiàn)了對輸出負(fù)載電流ig的跟蹤控制，使其跟隨指令電流ir，誤差值|error|=|ir-ig|<=h。由于上下比較閥值相等，因此在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，平均跟蹤誤差都為零。其中，ud為逆變母線電壓正極對地電壓。
2.2 開關(guān)頻率分析
風(fēng)電變流器簡易工作電路圖如圖2所示。
在某一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，電流變化狀態(tài)如圖1所示，如果開關(guān)周期足夠小，則有下式：
其中，Tp為電流上升時(shí)間，Tn為電流下降時(shí)間，Ud為逆變母線電壓正極對地電壓，e為網(wǎng)側(cè)電壓，L為網(wǎng)側(cè)電抗值。
在滯環(huán)帶寬h固定的時(shí)候，開關(guān)頻率會隨著電網(wǎng)相電壓U0的變化而變化。U0過零點(diǎn)附近時(shí)，開關(guān)頻率變高；在幅值附近時(shí)，開關(guān)頻率變低。例如Ud=530V，電網(wǎng)側(cè)線電壓U0=620V，電感L=250uH，滯環(huán)h=50A，那開關(guān)頻率會從10600Hz到930Hz變動。而實(shí)際上在電路設(shè)計(jì)中為了避免帶寬為零時(shí)對IGBT器件造成損壞，對滯環(huán)帶寬進(jìn)行了限值，最小值在A，所以實(shí)際運(yùn)行中開關(guān)頻率在變動。
帶寬頻率不固定，對電力器件的工作頻率提出很高的要求，根據(jù)公式（7）可以推出，如果要固定頻率，則滯環(huán)寬度h要變化，即：
根據(jù)公式（8），例如直流母線電壓Ud=530V，L=250uH，確定開關(guān)頻率為4kHz，網(wǎng)側(cè)電壓幅值為506V（對應(yīng)620V線電壓），則對A相電壓來說，相應(yīng)的帶寬
此種方式可以通過軟件程序?qū)崿F(xiàn)。
2.3 改進(jìn)技術(shù)方案的電路設(shè)計(jì)
數(shù)字量信號電流給定值、帶寬值經(jīng)DA芯片轉(zhuǎn)換為模擬量信號，與采樣電流信號經(jīng)過比較運(yùn)算，生成PWM調(diào)制信號；其波形變化圖如圖3所示。
圖中，反饋電流疊加實(shí)時(shí)帶寬與給定電流進(jìn)行比較后，輸出PWM信號。實(shí)時(shí)帶寬=正帶寬（0）或負(fù)帶寬（1），也就是：當(dāng)PMW信號為0時(shí)，實(shí)時(shí)帶寬=正帶寬；當(dāng)PWM信號為1時(shí)，實(shí)時(shí)帶寬為負(fù)帶寬，如：當(dāng)帶寬給定為-5A，反饋電流為0A，給定電流為100A時(shí)，開始時(shí)PWM必為1，此時(shí)反饋開關(guān)信號控制實(shí)時(shí)帶寬輸出為負(fù)帶寬，反饋電流從0A不斷增大；當(dāng)反饋電流為105A時(shí)，加法器輸出電流為反饋電流加上負(fù)帶寬后，其大小為100A，此時(shí)達(dá)到給定電流100A，比較器輸出切換為0，實(shí)時(shí)帶寬為正帶寬，反饋電流從105A逐漸減小；當(dāng)反饋電流為95A時(shí)，加法器輸出電流為反饋電流加上正帶寬后，其大小為100A，此時(shí)達(dá)到給定電流100A，比較器輸出切換為1。這樣一直工作下去，反饋電流就在95A與105A來回變動。通過修改帶寬給定值的大小，就可以實(shí)現(xiàn)可調(diào)帶寬功能，此控制器稱為“可調(diào)帶環(huán)寬滯環(huán)控制器”，其工作原理圖如圖4所示。
第三章結(jié)束語
可調(diào)帶環(huán)寬滯環(huán)控制器電路設(shè)計(jì)簡單，可以節(jié)約軟件控制的資源，滿足前端Boost電路控制的開關(guān)頻率要求；對被控對象及電路參數(shù)變化不敏感，可以抑制系統(tǒng)中的部分干擾；滯環(huán)帶寬可控。經(jīng)廠內(nèi)測試以及工程應(yīng)用驗(yàn)證，性能均優(yōu)于原有的滯環(huán)控制器。
