張暉鵬 于海生 劉旭東 吳賀榮

摘要：? 為了實(shí)現(xiàn)背靠背變流器和異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的四象限運(yùn)行、能量雙向流動、網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)、直流母線電壓可控，本文采用線性自抗擾控制和滑模控制相結(jié)合的控制策略。網(wǎng)側(cè)變流器電壓環(huán)采用線性自抗擾控制，電流環(huán)采用滑?？刂疲嵘司W(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)的抗干擾能力;機(jī)側(cè)變流器速度環(huán)及磁鏈環(huán)采用線性自抗擾控制，電流環(huán)采用滑?？刂疲ＷC了網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)的直流母線電壓恒定時(shí)再進(jìn)行機(jī)側(cè)子系統(tǒng)的起動。異步電機(jī)四象限運(yùn)行開始時(shí)存在較大電壓超調(diào)的問題，采用網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)電壓軟給定方法，減小電壓超調(diào)。對于負(fù)載轉(zhuǎn)矩未知的情況，采用負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器進(jìn)行觀測。仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)的四象限運(yùn)行，對異步電機(jī)的未知負(fù)載轉(zhuǎn)矩值跟蹤快速且精確，實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)四象限驅(qū)動系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下運(yùn)行，線性自抗擾與滑?？刂颇芎芎玫乇ＷC網(wǎng)側(cè)直流電壓達(dá)到給定值，并保持恒定，雖然在電機(jī)狀態(tài)切換時(shí)，直流母線電壓有波動，但很快恢復(fù)到給定值，電壓定向控制存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，且誤差隨電機(jī)狀態(tài)的切換越來越大。該研究在工業(yè)傳動領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：? 異步電機(jī); 四象限; 滑?？刂? 線性自抗擾控制; 電壓軟給定

中圖分類號： TP273+.2; TM343 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，背靠背變流器作為異步電機(jī)的主控電路，在工業(yè)傳動領(lǐng)域得到快速發(fā)展[12]。傳統(tǒng)的異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，網(wǎng)側(cè)由不可控變流器組成，存在著直流母線電壓不可控、能量不能進(jìn)行雙向流動、運(yùn)行時(shí)功率因數(shù)較低的缺點(diǎn)。異步電機(jī)四象限驅(qū)動系統(tǒng)具有四象限運(yùn)行、能量可以雙向流動并能夠在網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行的優(yōu)勢[3]。近年來，異步電機(jī)四象限驅(qū)動系統(tǒng)在國內(nèi)外得到快速發(fā)展，在列車運(yùn)行時(shí)，采用大功率四象限變流器將再生能量送到中壓交流電網(wǎng)上，具有良好的節(jié)能效果[45]。在礦井提升機(jī)、熱源廠汽輪機(jī)、離心機(jī)等系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的電機(jī)二象限運(yùn)行既增加了運(yùn)行成本，又消耗了能量，采用電機(jī)四象限驅(qū)動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電能的綠色變換[67]。異步電機(jī)四象限驅(qū)動系統(tǒng)存在著非線性、強(qiáng)耦合、多變量的特性，傳統(tǒng)的控制方法很難實(shí)現(xiàn)良好的控制性能[810]。目前國內(nèi)外學(xué)者在該領(lǐng)域采用了許多新型的控制方法。Zheng P等人[1112]提出了基于電網(wǎng)電壓導(dǎo)向控制，增強(qiáng)了異步電機(jī)驅(qū)動四象限系統(tǒng)動態(tài)性能，四象限驅(qū)動系統(tǒng)提取有功功率，并通過采用有源前端轉(zhuǎn)換器將其發(fā)送回電網(wǎng)，提高了網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù);宋曉陽等人[1314]采用模糊自適應(yīng)控制方法，提高了轉(zhuǎn)速跟蹤性能，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用中很難實(shí)現(xiàn);Shao M L等人[15]提出了單神經(jīng)元和反步控制相結(jié)合的控制策略，提高了電流跟蹤能力，但直流母線電壓存在超調(diào);韓京清[16]提出了自抗擾控制方法，且線性自抗擾技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易于調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。雖然滑模控制具有較強(qiáng)的抗干擾性，但在網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)剛啟動時(shí)存在電壓超調(diào)的問題。因此，本文采用直流側(cè)電壓軟給定方法，抑制較大的電壓超調(diào)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。在實(shí)際運(yùn)行中，針對負(fù)載轉(zhuǎn)矩未知的問題，設(shè)計(jì)負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器，并采用線性自抗擾和滑模相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓可控、異步電機(jī)四象限運(yùn)行的能量雙向流動及單位功率因數(shù)下運(yùn)行，將本文所提出的控制方法與網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)采用電壓定向控制、機(jī)側(cè)子系統(tǒng)采用磁場定向控制進(jìn)行比較研究。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制策略具有良好的性能。

1 系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

基于背靠背變流器的異步電機(jī)四象限驅(qū)動系統(tǒng)，主要由網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)和機(jī)側(cè)子系統(tǒng)兩部分組成，系統(tǒng)控制原理圖如圖1所示。

2 網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與控制

網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)采用線性自抗擾和滑模相結(jié)合的控制策略?？刂颇繕?biāo)是保證網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行，即i*gq=0，直流母線電壓可控，能量實(shí)現(xiàn)雙向流動。

2.1 網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型與控制

2.2 網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

2.2.1 線性自抗擾控制器設(shè)計(jì)

網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)電壓環(huán)采用線性自抗擾控制器。線性自抗擾由擴(kuò)張狀態(tài)觀測器、線性誤差反饋控制器和微分跟蹤器3部分組成[18]。采用一階線性自抗擾控制方法，狀態(tài)觀測器環(huán)節(jié)中沒有微分輸出，因此不需要微分跟蹤環(huán)節(jié)的微分輸出，所以在一階系統(tǒng)中可以忽略微分跟蹤器。假設(shè)網(wǎng)側(cè)整流橋的橋路沒有損耗，依據(jù)能量守恒，系統(tǒng)交流側(cè)的功率等于直流側(cè)的功率。按照等量坐標(biāo)進(jìn)行變換，則

由圖6可以看出，負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器對異步電機(jī)的未知負(fù)載轉(zhuǎn)矩值跟蹤快速且精確;由圖7可以看出，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，網(wǎng)側(cè)的q軸電流分量igq接近于0，即網(wǎng)側(cè)的無功功率為0，網(wǎng)側(cè)的d軸電流分量igd為正，因此實(shí)現(xiàn)了異步電機(jī)四象限驅(qū)動系統(tǒng)在單位功率因數(shù)下運(yùn)行。

將異步電機(jī)四象限驅(qū)動系統(tǒng)線性自抗擾與滑模控制相結(jié)合的控制方法，與網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)采用電壓定向控制、機(jī)側(cè)子系統(tǒng)采用磁場定向控制進(jìn)行對比。機(jī)側(cè)角速度曲線對比如圖8所示，直流母線電壓曲線對比如圖9所示。

由圖8可以看出，當(dāng)異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，線性自抗擾與滑?？刂颇芸焖俑櫧撬俣鹊慕o定值，磁場定向控制跟蹤速度與精度性較差;由圖9可以看出，當(dāng)異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，線性自抗擾與滑模控制能很好地保證網(wǎng)側(cè)直流電壓達(dá)到給定值，并保持恒定，雖然在電機(jī)狀態(tài)切換時(shí)，直流母線電壓有波動，但很快恢復(fù)到給定值。電壓定向控制存在一定的穩(wěn)態(tài)誤差，且誤差隨電機(jī)狀態(tài)的切換越來越大。

5 結(jié)束語

本文主要對基于背靠背變流器的異步電機(jī)四象限驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行研究。采用線性自抗擾控制和滑模控制相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了四象限運(yùn)行、直流母線電壓可控、能量雙向流動、網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)的預(yù)期目標(biāo);網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)采用電壓軟給定線性自抗擾控制和滑?？刂葡嘟Y(jié)合的控制方法，提高了動態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能和抗干擾能力。機(jī)側(cè)子系統(tǒng)采用了線性自抗擾控制和滑?？刂葡嘟Y(jié)合的控制方法，提高了對異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的快速跟蹤能力;采用電壓軟給定的方法，解決了網(wǎng)側(cè)電壓出現(xiàn)較大超調(diào)的問題;采用負(fù)載轉(zhuǎn)矩觀測器，實(shí)現(xiàn)了對未知負(fù)載的快速跟蹤和觀測。將本文采用的方法與網(wǎng)側(cè)子系統(tǒng)采用電壓定向控制、機(jī)側(cè)子系統(tǒng)采用磁場定向控制進(jìn)行比較。仿真結(jié)果證明本文設(shè)計(jì)的控制策略具有良好的性能。該研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] Zhou D H， Zhao J， Liu Y. Finitecontrolset model predictive control scheme of threephase fourleg backtoback converterfed induction motor drive[J]. IET Electric Power Applications， 2017， 11（5）： 761767.

[2] Elfadili A. Adaptive nonlinear control of induction motors through AC/DC/AC converters[J]. Asian Journal of Control， 2012， 14（6）： 14701483.

[3] Heising C， Bartelt R， Oettmeier M， et al. Analysis of singlephase 50kW 16.7Hz PIcontrolled fourquadrant lineside converter under different grid characteristics[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2010， 57（2）： 523531.

[4] Marinkov S， Jager B D. Fourquadrant control of 4/2 switched reluctance machines[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2016， 63（12）： 73937403.

[5] Restrepo M， Canizares C， Kazerani M. Threestage distribution feeder control considering fourquadrant EV chargers[J]. IEEE Transactions on Smart Grid， 2016， 9（4）： 3736 ?3747.

[6] Fan Y X， Yan G， Zou H Q， et al. Development of realtime simulation application software for fourquadrant converter system based on MATLAB[J]. International Journal of Software Engineering & Knowledge Engineering， 2018， 28（4）： 523535.

[7] Magri A E， Giri F， Abouloifa A， et al. Robust control of synchronous motor through AC/DC/AC converters[J]. Control Engineering Practice， 2010， 18（5）： 540553.

[8] Zhong Q C. AC Ward Leonard drive systems： Revisiting the fourquadrant operation of AC machines[J]. European Journal of Control， 2013， 19（5）： 426435.

[9] Benchabane F， Bennis O， Yahia K， et al. Direct field oriented control scheme for space vector modulated AC/DC/AC converter fed induction motor[J]. Frontiers in Energy， 2012， 6（2）： 129137.

[10] Hossain S， Husain I， Klode H， et al. Four quadrant and zero speed sensorless control of a switched reluctance motor[J]. IEEE? Industry Applications Society， 2003， 39（5）： 16411646.

[11] Zheng P， Liu R R， Wu Q， et al. Magnetic coupling analysis of fourquadrant transducer used for hybrid electric vehicles[J]. IEEE Transactions on Magnetics， 2007， 43（6）： 25972599.

[12] Arias A， Ortega C， Zaragoza J， et al. Hybrid sensorless permanent magnet synchronous machine four quadrant drive based on direct matrix converter[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems， 2013， 45（1）： 7886.

[13] 郭磊磊， 金楠， 韓東洋. 背靠背永磁直驅(qū)風(fēng)電變流器共模電壓抑制方法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2018， 22（6）： 8190.

[14] Dida A， Benattous D. Modeling and control of DFIG through backtoback five levels converters based on neurofuzzy controller[J]. Journal of Control Automation & Electrical Systems， 2015， 26（5）： 506520.

[15] Shao M L， Yu H S， Yu J P， et al. Four quadrant PMSM drive system via single neuron adaptive control and backstepping[J]. ICIC Express Letters， 2016， 10（2）： 433438.

[16] 韓京清. 自抗擾控制技術(shù)[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2008.

[17] Dannehl J， Wessels C， Fuchs F W. Limitations of voltageoriented PI current control of gridconnected PWM rectifiers with， filters[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2009， 56（2）： 380388.

[18] 曾岳南， 鄭雷， 周斌， 等. 線性自抗擾控制技術(shù)在PWM整流器中的應(yīng)用[J]. 電力電子技術(shù)， 2016， 50（8）： 1315.

[19] 李永東. 交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng) [M]. 2版. 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社， 2012.

[20] 劉剛， 陳濤， 嚴(yán)干貴. 背靠背四象限變流器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電力電子技術(shù)， 2007， 41（11）： 13.

[21] Yu H， Yu J， Liu J， et al. Nonlinear control of induction motors based on state error PCH and energyshaping principle[J]. Nonlinear Dynamics， 2013， 72（1/2）： 4959.