【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 波動(dòng)；三是APF交流側(cè)交流電感儲(chǔ)能造成直流側(cè)能量脈動(dòng)，要靠直流側(cè)電容緩沖，使得直流側(cè)電壓波動(dòng)。電壓波動(dòng)影響APF正常工作或?qū)е轮绷鱾?cè)出現(xiàn)過壓危險(xiǎn)，危及APF安全可靠運(yùn)行。所以，對(duì)直流側(cè)電壓狀況進(jìn)行深入分析研究，加以有效控制，對(duì)改善APF性能是十分重要的。 直流側(cè)電壓和電源側(cè)電流的關(guān)系 APF的作用是使電源側(cè)電流與電壓同相并保持或接近正弦波形。在穩(wěn)態(tài)情況下，對(duì)于一個(gè)無損耗的APF系統(tǒng)，電源提供的功率必須等于負(fù)載消耗的功率。因此，變流器直流電容的平均電壓將保持為一定值。當(dāng)功率不平衡時(shí)，如負(fù)載發(fā)生變化，變流器的直流電容將供電源與負(fù)載間的功率差，這將導(dǎo)致直流電容的平均電壓發(fā)生變化。如果系統(tǒng)電源提供的功率低于負(fù)載需要的功率，那么直流電容的平均電壓將降低，此時(shí)就需要提高系統(tǒng)電流的幅值以增加系統(tǒng)電源提供的有功功率：反之，直流電容的電壓將升高。此時(shí)，需要減小系統(tǒng)電流的幅值以降低系統(tǒng)提供的功率。直流側(cè)電容的電壓的變化能夠反映出主電路與負(fù)載間功率的轉(zhuǎn)換情況。因此，期望的電源側(cè)電流幅值可以通過調(diào)整直流側(cè)電容電壓獲得。，若電網(wǎng)中電源傳輸?shù)乃矔r(shí)有功功率為，負(fù)載側(cè)傳輸?shù)乃矔r(shí)有功功率為， APF傳輸?shù)乃矔r(shí)有功功率為，則在電源、負(fù)載和APF的公共交點(diǎn)處，電網(wǎng)中瞬時(shí)能量的傳輸關(guān)系為： () APF系統(tǒng)的能量流動(dòng)簡(jiǎn)圖對(duì)上式取平均值可得 ()如果忽略APF本身的損耗，則根據(jù)瞬時(shí)能量守恒，可得如下關(guān)系： ()式中，C為直流側(cè)電容，出為直流側(cè)電容電壓，由此式可得APF傳輸?shù)乃矔r(shí)有功功率平均值為： ()上式中，T為一個(gè)開關(guān)周期，為t=T與t=0時(shí)的直流側(cè)電壓的平方差。又電源側(cè)的平均功率為 ()綜合以上各式得: () () 由上式知，若,則直流側(cè)電容無波動(dòng)，可以由直流側(cè)電容電壓的變化的值來確定[17]。 直流側(cè)電壓的控制原理 APF直流側(cè)電容電壓的控制方法有很多，本文采用簡(jiǎn)單易行的PI（Proportion Integration，比例積分）控制。 PI控制原理具有比例加積分控制規(guī)律的控制稱為比例積分控制器，即PI控制，PI控制的傳遞函數(shù)為： （）其中， 為比例系數(shù)， 稱為積分時(shí)間常數(shù)，兩者都是可調(diào)的參數(shù)。控制器的輸出信號(hào)為: （）PI控制器可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。PI控制器在與被控對(duì)象串聯(lián)時(shí),相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn),以消除或減小系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。而增加的負(fù)實(shí)部零點(diǎn)則可減小系統(tǒng)的阻尼程度,PI控制器通常用來改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性能[3]。APF是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)態(tài)補(bǔ)償系統(tǒng)，其中對(duì)直流側(cè)電壓的控制也很關(guān)鍵。為使PWM逆變器正常工作，達(dá)到補(bǔ)償器所要求的補(bǔ)償效果，必須使直流側(cè)電容電壓維持足夠高以保證有源補(bǔ)償器在沒有輸出補(bǔ)償電流時(shí)各橋臂二極管的反向偏置，在進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)娜魏嗡查g能根據(jù)補(bǔ)償參考電流輸出所需的補(bǔ)償電流。但由于補(bǔ)償電流的時(shí)變性和系統(tǒng)存在的各種損耗，如不采取適當(dāng)?shù)目刂拼胧绷麟妷簩a(chǎn)生衰減或大的波動(dòng)，若直流側(cè)電壓波動(dòng)較大，就會(huì)出現(xiàn)過補(bǔ)償或欠補(bǔ)償。欠補(bǔ)償時(shí)會(huì)影響補(bǔ)償?shù)木?，過補(bǔ)償時(shí)會(huì)增加APF的干擾性諧波電流，致使補(bǔ)償系統(tǒng)不能很好地運(yùn)行。因此，必須采取恰當(dāng)?shù)目刂品桨?，以保持直流電壓穩(wěn)定在給定值附近。 對(duì)直流電壓進(jìn)行控制的傳統(tǒng)方法是：為直流電容提供一個(gè)單獨(dú)的直流電源，一般是通過一個(gè)二極管整流電路來實(shí)現(xiàn)。這種方法雖能能夠達(dá)到控制直流電容電壓的目的。但需要另外設(shè)計(jì)一套電路，增加了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度，從而增加了系統(tǒng)的成本和損耗。所以現(xiàn)在一般不采用這一方法。 在本文中通過主電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂苼韺?shí)現(xiàn)控制直流側(cè)電壓的目的。由于APF它本身并不能產(chǎn)生能景來維持電容電壓，它必須從系統(tǒng)中吸收有功能量來維持電容電壓的恒定，那么APF發(fā)出的補(bǔ)償電流中就必須包含一有功電流成分。根據(jù)這個(gè)原則，本論文通過PI調(diào)節(jié)對(duì)直流側(cè)電壓進(jìn)行閉環(huán)控制。 直流側(cè)電壓PI控制原理 圖中，為直流電壓參考值，為直流電容電壓的實(shí)際值，為直流電壓偏差。檢測(cè)到直流電壓與給定電壓的偏差，根據(jù)這個(gè)偏差經(jīng)PI控制運(yùn)算得到補(bǔ)償贏流電壓的有功分量?？刂埔?guī)律為： （） 式中：是直流電壓偏差； 是比例系數(shù)； 是積分時(shí)間常數(shù)；對(duì)式()進(jìn)行離散化處理，可得 （） 式中： 為第n次采樣時(shí)刻的直流電壓偏差； 為采樣時(shí)間： 為積分系數(shù)。控制直流側(cè)電容電壓通常是在電流或電壓主控制環(huán)的基礎(chǔ)上加一個(gè)附加的控制環(huán)。由于流入APF的有功電流直接影響其直流側(cè)電容電壓，因此將直流側(cè)電容典雅與給定的參考電壓的差經(jīng)過調(diào)整計(jì)算后疊加到APF參考電流的有功電流分量中，完成對(duì)電容電壓的控制。 直流側(cè)穩(wěn)壓控制的指令電流運(yùn)算原理圖 直流側(cè)電壓控制的仿真與控制器參數(shù)的設(shè)計(jì) 直流側(cè)電壓PI控制仿真模型的建立作為APF控制的一個(gè)重要組成部分，直流側(cè)電壓的控制與其他部分有著緊密的聯(lián)系，各部分組成一個(gè)不可分割的系統(tǒng)。這里著重對(duì)直流側(cè)電壓PI控制進(jìn)行仿真分析，整個(gè)系統(tǒng)的仿真分析將在下一章討論。 含直流側(cè)電壓控制的仿真圖 PI控制器內(nèi)部仿真圖 當(dāng)直流側(cè)不加任何控制時(shí)，交流側(cè)不斷供給直流側(cè)電流，電容兩端電壓將持續(xù)升高，最終可能擊穿電容，這是很危險(xiǎn)的，并且將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。 不加控制時(shí)直流側(cè)電壓階躍響應(yīng)波形 PI控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)在自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的方案已經(jīng)確定，調(diào)節(jié)器和調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)都已選定并已安裝好以后，調(diào)節(jié)質(zhì)量將取決于調(diào)節(jié)器參數(shù)的選擇。調(diào)節(jié)器參數(shù)的確定稱為調(diào)節(jié)系統(tǒng)的整定，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的任務(wù)就是根據(jù)調(diào)節(jié)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性選擇最佳的調(diào)節(jié)器參數(shù)，以使調(diào)節(jié)過程具有最佳的品質(zhì)指標(biāo)。本文討論的PI控制可以看成微分時(shí)間為零的PID控制，不妨先討論P(yáng)ID（Proportion Integration Differentiation，比例積分微分控制）控制器參數(shù)的常規(guī)整定方法。 1. PID控制器參數(shù)的整定方法 調(diào)節(jié)器的參數(shù)可以通過理論計(jì)算求得，也可以通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)調(diào)整求得。理論計(jì)算方法是，預(yù)先給定穩(wěn)定裕量（或給定衰減率，或給定誤差積分準(zhǔn)則），通過計(jì)算取出最佳整定參數(shù)。由于表征調(diào)節(jié)對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的傳遞函數(shù)是近似的，所以最佳整定參數(shù)的理論計(jì)算結(jié)果是大致正確的。最終選用的最佳參數(shù)，是通過實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試得到的，理論計(jì)算數(shù)據(jù)只能作為試驗(yàn)調(diào)整時(shí)的參數(shù)數(shù)據(jù)[2]。 （1）衰減曲線法 衰減曲線法是在總結(jié)臨界比例帶法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它是利用比例作用下產(chǎn)生的4:1衰減振蕩(ψ=)過程時(shí)的調(diào)節(jié)器比例帶δ及過程衰減周期，或10:1衰減振蕩(ψ=)過程時(shí)調(diào)節(jié)器比例帶δ及過程上升時(shí)間，據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。衰減曲線法的具體步驟是： 第一步，置調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間→∞，微分時(shí)間→0，比例帶為一稍大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行。第二步，在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察控制過程。，應(yīng)逐步減小比例帶值，并再次試驗(yàn)，直到過渡過程曲線出現(xiàn)4:1的衰減過程。對(duì)于ψ=，也是一樣地做上述試驗(yàn)，直到出現(xiàn)10:1的衰減過程。記錄下4:1(或10:1)的衰減振蕩過程曲線。(a)或(b)所示的曲線上求取ψ==，結(jié)合此過程下的調(diào)節(jié)器比例帶。 衰減曲線法計(jì)算公式規(guī)律規(guī)律P――――P――――PI――PI――PIDPID 衰減曲線第三步，按計(jì)算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)，作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，到滿意為止。與臨界比例帶法一樣，衰減曲線法也是利用了比例作用下的調(diào)節(jié)過程。，對(duì)于ψ=，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律時(shí)相對(duì)于采用比例調(diào)節(jié)規(guī)律引入了積分作用，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性將下降，為了仍然能得到ψ=。對(duì)于三參數(shù)調(diào)節(jié)規(guī)律，由于微分作用的引入提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，因此可將減小至后作為調(diào)節(jié)器比例帶設(shè)定值，同時(shí)積分時(shí)間與無微分作用下相比也適當(dāng)減小了。（2）臨界比例帶法 臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點(diǎn)是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動(dòng)運(yùn)行并將比例帶由大到小改變，直到系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩為止。這時(shí)控制系統(tǒng)處于邊界穩(wěn)定狀態(tài)，記下此狀態(tài)下的比例帶值，即臨界比例帶以及振蕩周期，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)?？梢钥闯雠R界比例帶法無需知道對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行參數(shù)整定。臨界比例帶法的具體步驟是： 第一步，將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間置于最大，即→∞；置微分時(shí)間 =0；置比例帶于一個(gè)較大的值。 第二步，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)進(jìn)入等幅振蕩狀態(tài)。一般振蕩持續(xù)4～5個(gè)振幅即可。 等幅振蕩曲線 第三步，據(jù)記錄曲線得振蕩周期，此狀態(tài)下的調(diào)節(jié)器比例帶為。 臨界比例帶法計(jì)算公式規(guī)律P————PI——PID 第四步，將計(jì)算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗(yàn)，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，適當(dāng)修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。（3）動(dòng)態(tài)參數(shù)法動(dòng)態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下，作對(duì)象的階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，根據(jù)記錄下的階躍響應(yīng)曲線求取一組特征參數(shù)、(無自平衡能力對(duì)象)或、 (有自平衡能力對(duì)象)，再據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出調(diào)節(jié)器的各個(gè)參數(shù)。 （a）有自平衡能力對(duì)象 （b）無自平衡能力對(duì)象 動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線對(duì)于有自平衡能力對(duì)象，(a)所示。過響應(yīng)曲線拐點(diǎn)P作切線交穩(wěn)態(tài)值漸近線C(∞)于A，交時(shí)間軸于C；過A點(diǎn)作時(shí)間軸垂線并交于B，則：， （）對(duì)無自平衡能力對(duì)象，(b)所示。作響應(yīng)曲線直線段的漸近線交時(shí)間軸于C，過直線段上任一點(diǎn)A作時(shí)間垂線并交于B，則， （）在取得對(duì)象的單位階躍響應(yīng)曲線后，通過在曲線上作圖，求出對(duì)象的特征參數(shù)、或、。 動(dòng)態(tài)參數(shù)法計(jì)算公式(一)規(guī)律P――――PI――PID生產(chǎn)實(shí)踐表明，對(duì)象特征參數(shù)和的乘積反映了控制難易的程度；越大，對(duì)象就越不好控制，因此調(diào)節(jié)器的比例帶就應(yīng)取大一些，即與成正比。對(duì)于采用比例積分調(diào)節(jié)，積分作用的加入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，；對(duì)于采用比例積分微分調(diào)節(jié)，則因微分作用提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。積分作用主要用于消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，并且希望在被調(diào)量波動(dòng)一個(gè)周期后消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用應(yīng)基本結(jié)束；就是說積分時(shí)間的大小應(yīng)根據(jù)被調(diào)量波動(dòng)周期大小來確定，而遲延時(shí)間又是影響過渡過程周期的主要因素。因此，對(duì)象的遲延時(shí)間大，則積分作用就應(yīng)相對(duì)較弱，即積分時(shí)間應(yīng)與成正比；有微分作用加入時(shí)，可適當(dāng)減少一些。一般地，在對(duì)象慣性和遲延都較大時(shí)，需加入微分控制作用，即微分時(shí)間的值也應(yīng)據(jù)遲延時(shí)間來確定。 動(dòng)態(tài)參數(shù)法計(jì)算公式（二）規(guī)律 P――――－－――PI――――PID，它忽略了對(duì)象自平衡率對(duì)調(diào)節(jié)過程的影響。在考慮對(duì)象的自平衡率影響時(shí)。，兩表計(jì)算出的整定參數(shù)有較大的差別。，又便于記憶，為工程技術(shù)人員廣泛采用。（4）經(jīng)驗(yàn)法 如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運(yùn)行中經(jīng)常受到擾動(dòng)影響，那么要得到閉環(huán)系統(tǒng)確切的階躍響應(yīng)曲線就很困難，因此臨界比例法和衰減曲線法都不能得到滿意的結(jié)果。 通過長(zhǎng)期實(shí)踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗(yàn)，稱之為經(jīng)驗(yàn)法。經(jīng)驗(yàn)法可以說是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)試湊的方法，它首先根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程；如果過渡過程不令人滿意，則修改調(diào)節(jié)器參數(shù)，再作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程；反復(fù)上述試驗(yàn)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。 經(jīng)驗(yàn)法整定參數(shù)的具體步驟是： 第一步，將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)間置于最小，據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置比例帶值。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，穩(wěn)定后作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，若過渡過程有希望的衰減率(ψ=～)則可，否則改變比例帶值，重復(fù)上述試驗(yàn)。 第二步，將調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間由最大調(diào)整到某一值，由于積分作用的引入使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，這時(shí)應(yīng)將比例帶值適當(dāng)增大。作階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，觀察調(diào)節(jié)過程，修改積分時(shí)間重復(fù)試驗(yàn)，直到滿意為止。 第三步，保持積分時(shí)間不變，改變比例帶，看調(diào)節(jié)過程有無改善，若有改善則繼續(xù)修改比例帶，如無改善則反方向修改比例帶，直到滿意為止。保持比例帶不變修改積分時(shí)間，同樣反復(fù)試湊直到滿意為止。如此反復(fù)湊試，直到有一組合適的積分時(shí)間和比例帶。第四步，對(duì)于采用三參數(shù)的調(diào)節(jié)器，在進(jìn)行完上述調(diào)整試驗(yàn)后，將微分時(shí)間由小到大地調(diào)整，觀察每次試驗(yàn)過程，在感到滿意時(shí)便停止。四種工程整定方法的比較: 衰減曲線法衰減曲線法在試驗(yàn)操作方法上與臨界比例帶法相似，比較簡(jiǎn)單，也容易掌握，沒有臨界比例帶法的限制和缺點(diǎn)，故應(yīng)用較為廣泛。這種整定方法的缺點(diǎn)是，由于外界干擾作用以及試驗(yàn)儀器、儀表等的缺陷造成難以判斷響應(yīng)曲線是