【文章內(nèi)容簡介】 波動；三是APF交流側(cè)交流電感儲能造成直流側(cè)能量脈動，要靠直流側(cè)電容緩沖，使得直流側(cè)電壓波動。電壓波動影響APF正常工作或?qū)е轮绷鱾?cè)出現(xiàn)過壓危險，危及APF安全可靠運行。所以，對直流側(cè)電壓狀況進行深入分析研究，加以有效控制，對改善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，對于一個無損耗的APF系統(tǒng)，電源提供的功率必須等于負載消耗的功率。因此，變流器直流電容的平均電壓將保持為一定值。當功率不平衡時，如負載發(fā)生變化，變流器的直流電容將供電源與負載間的功率差，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載需要的功率，那么直流電容的平均電壓將降低，此時就需要提高系統(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，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有功功率為，負載側(cè)傳輸?shù)乃矔r有功功率為， APF傳輸?shù)乃矔r有功功率為，則在電源、負載和APF的公共交點處，電網(wǎng)中瞬時能量的傳輸關(guān)系為： () APF系統(tǒng)的能量流動簡圖對上式取平均值可得 ()如果忽略APF本身的損耗，則根據(jù)瞬時能量守恒，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有功功率平均值為： ()上式中，T為一個開關(guān)周期，為t=T與t=0時的直流側(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，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)， 稱為積分時間常數(shù)，兩者都是可調(diào)的參數(shù)?？刂破鞯妮敵鲂盘枮? （）PI控制器可以使系統(tǒng)在進入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。PI控制器在與被控對象串聯(lián)時,相當于在系統(tǒng)中增加了一個位于原點的開環(huán)極點,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。而增加的負實部零點則可減小系統(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是一個復(fù)雜的非線性動態(tài)補償系統(tǒng)，其中對直流側(cè)電壓的控制也很關(guān)鍵。為使PWM逆變器正常工作，達到補償器所要求的補償效果，必須使直流側(cè)電容電壓維持足夠高以保證有源補償器在沒有輸出補償電流時各橋臂二極管的反向偏置，在進行動態(tài)補償?shù)娜魏嗡查g能根據(jù)補償參考電流輸出所需的補償電流。但由于補償電流的時變性和系統(tǒng)存在的各種損耗，如不采取適當?shù)目刂拼胧?，直流電壓將產(chǎn)生衰減或大的波動，若直流側(cè)電壓波動較大，就會出現(xiàn)過補償或欠補償。欠補償時會影響補償?shù)木龋^補償時會增加APF的干擾性諧波電流，致使補償系統(tǒng)不能很好地運行。因此，必須采取恰當?shù)目刂品桨?，以保持直流電壓穩(wěn)定在給定值附近。 對直流電壓進行控制的傳統(tǒng)方法是：為直流電容提供一個單獨的直流電源，一般是通過一個二極管整流電路來實現(xiàn)。這種方法雖能能夠達到控制直流電容電壓的目的。但需要另外設(shè)計一套電路，增加了整個系統(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行適當?shù)目刂苼韺崿F(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)出的補償電流中就必須包含一有功電流成分。根據(jù)這個原則，本論文通過PI調(diào)節(jié)對直流側(cè)電壓進行閉環(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際值，為直流電壓偏差。檢測到直流電壓與給定電壓的偏差，根據(jù)這個偏差經(jīng)PI控制運算得到補償贏流電壓的有功分量。控制規(guī)律為： （） 式中：是直流電壓偏差； 是比例系數(shù)； 是積分時間常數(shù)；對式()進行離散化處理，可得 （） 式中： 為第n次采樣時刻的直流電壓偏差； 為采樣時間： 為積分系數(shù)?？刂浦绷鱾?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)整計算后疊加到APF參考電流的有功電流分量中，完成對電容電壓的控制。 直流側(cè)穩(wěn)壓控制的指令電流運算原理圖 直流側(cè)電壓控制的仿真與控制器參數(shù)的設(shè)計 直流側(cè)電壓PI控制仿真模型的建立作為APF控制的一個重要組成部分，直流側(cè)電壓的控制與其他部分有著緊密的聯(lián)系，各部分組成一個不可分割的系統(tǒng)。這里著重對直流側(cè)電壓PI控制進行仿真分析，整個系統(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 當直流側(cè)不加任何控制時，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，這是很危險的，并且將嚴重影響系統(tǒng)的補償效果。 不加控制時直流側(cè)電壓階躍響應(yīng)波形 PI控制器參數(shù)的設(shè)計在自動調(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)對象的動態(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。本文討論的PI控制可以看成微分時間為零的PID控制，不妨先討論PID（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)可以通過理論計算求得，也可以通過現(xiàn)場試驗調(diào)整求得。理論計算方法是，預(yù)先給定穩(wěn)定裕量（或給定衰減率，或給定誤差積分準則），通過計算取出最佳整定參數(shù)。由于表征調(diào)節(jié)對象動態(tài)特性的傳遞函數(shù)是近似的，所以最佳整定參數(shù)的理論計算結(jié)果是大致正確的。最終選用的最佳參數(shù)，是通過實際現(xiàn)場調(diào)試得到的，理論計算數(shù)據(jù)只能作為試驗調(diào)整時的參數(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=)過程時調(diào)節(jié)器比例帶δ及過程上升時間，據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。衰減曲線法的具體步驟是： 第一步，置調(diào)節(jié)器的積分時間→∞，微分時間→0，比例帶為一稍大的值；將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行。第二步，在系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)后作階躍擾動試驗，觀察控制過程。，應(yīng)逐步減小比例帶值，并再次試驗，直到過渡過程曲線出現(xiàn)4:1的衰減過程。對于ψ=，也是一樣地做上述試驗，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。 衰減曲線法計算公式規(guī)律規(guī)律P――――P――――PI――PI――PIDPID 衰減曲線第三步，按計算結(jié)果設(shè)置好調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)，作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，適當修改調(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。，對于ψ=，采用比例積分調(diào)節(jié)規(guī)律時相對于采用比例調(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，同時積分時間與無微分作用下相比也適當減小了。（2）臨界比例帶法 臨界比例帶法又稱邊界穩(wěn)定法，其要點是將調(diào)節(jié)器設(shè)置成純比例作用，將系統(tǒng)投入自動運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)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。可以看出臨界比例帶法無需知道對象的動態(tài)特性，直接在閉環(huán)系統(tǒng)中進行參數(shù)整定。臨界比例帶法的具體步驟是： 第一步，將調(diào)節(jié)器的積分時間置于最大，即→∞；置微分時間 =0；置比例帶于一個較大的值。 第二步，將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后逐漸減小比例帶，直到系統(tǒng)進入等幅振蕩狀態(tài)。一般振蕩持續(xù)4～5個振幅即可。 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。 臨界比例帶法計算公式規(guī)律P————PI——PID 第四步，將計算好的參數(shù)值在調(diào)節(jié)器上設(shè)置好，作階躍響應(yīng)試驗，觀察系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程，適當修改調(diào)節(jié)器的參數(shù)，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。（3）動態(tài)參數(shù)法動態(tài)參數(shù)法是在系統(tǒng)處于開環(huán)狀態(tài)下，作對象的階躍擾動試驗，根據(jù)記錄下的階躍響應(yīng)曲線求取一組特征參數(shù)、(無自平衡能力對象)或、 (有自平衡能力對象)，再據(jù)經(jīng)驗公式計算出調(diào)節(jié)器的各個參數(shù)。 （a）有自平衡能力對象 （b）無自平衡能力對象 動態(tài)響應(yīng)曲線對于有自平衡能力對象，(a)所示。過響應(yīng)曲線拐點P作切線交穩(wěn)態(tài)值漸近線C(∞)于A，交時間軸于C；過A點作時間軸垂線并交于B，則：， （）對無自平衡能力對象，(b)所示。作響應(yīng)曲線直線段的漸近線交時間軸于C，過直線段上任一點A作時間垂線并交于B，則， （）在取得對象的單位階躍響應(yīng)曲線后，通過在曲線上作圖，求出對象的特征參數(shù)、或、。 動態(tài)參數(shù)法計算公式(一)規(guī)律P――――PI――PID生產(chǎn)實踐表明，對象特征參數(shù)和的乘積反映了控制難易的程度；越大，對象就越不好控制，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)量波動一個周期后消除穩(wěn)態(tài)誤差的作用應(yīng)基本結(jié)束；就是說積分時間的大小應(yīng)根據(jù)被調(diào)量波動周期大小來確定，而遲延時間又是影響過渡過程周期的主要因素。因此，對象的遲延時間大，則積分作用就應(yīng)相對較弱，即積分時間應(yīng)與成正比；有微分作用加入時，可適當減少一些。一般地，在對象慣性和遲延都較大時，需加入微分控制作用，即微分時間的值也應(yīng)據(jù)遲延時間來確定。 動態(tài)參數(shù)法計算公式（二）規(guī)律 P――――－－――PI――――PID，它忽略了對象自平衡率對調(diào)節(jié)過程的影響。在考慮對象的自平衡率影響時。，兩表計算出的整定參數(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)驗法 如果調(diào)節(jié)系統(tǒng)在運行中經(jīng)常受到擾動影響，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。 通過長期實踐，人們總結(jié)了一套參數(shù)整定的經(jīng)驗，稱之為經(jīng)驗法。經(jīng)驗法可以說是根據(jù)經(jīng)驗進行參數(shù)試湊的方法，它首先根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置一組調(diào)節(jié)器參數(shù)，然后將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，待系統(tǒng)穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，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)，再作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程；反復(fù)上述試驗，直到調(diào)節(jié)過程滿意為止。 經(jīng)驗法整定參數(shù)的具體步驟是： 第一步，將調(diào)節(jié)器的積分時間放到最大，微分時間置于最小，據(jù)經(jīng)驗設(shè)置比例帶值。將系統(tǒng)投入閉環(huán)運行，穩(wěn)定后作階躍擾動試驗，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。 第二步，將調(diào)節(jié)器的積分時間由最大調(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，這時應(yīng)將比例帶值適當增大。作階躍擾動試驗，觀察調(diào)節(jié)過程，修改積分時間重復(fù)試驗，直到滿意為止。 第三步，保持積分時間不變，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間和比例帶。第四步，對于采用三參數(shù)的調(diào)節(jié)器，在進行完上述調(diào)整試驗后，將微分時間由小到大地調(diào)整，觀察每次試驗過程，在感到滿意時便停止。四種工程整定方法的比較: 衰減曲線法衰減曲線法在試驗操作方法上與臨界比例帶法相似，比較簡單，也容易掌握，沒有臨界比例帶法的限制和缺點，故應(yīng)用較為廣泛。這種整定方法的缺點是，由于外界干擾作用以及試驗儀器、儀表等的缺陷造成難以判斷響應(yīng)曲線是