摘 "要：海洋電磁發(fā)射機在非理想狀況工作時母線會產生沖擊電壓，嚴重時損壞開關管和濾波電容，為此提出一種混合控制策略。首先，基于dq坐標系的前饋解耦控制策略分析海洋電磁發(fā)射機可控源整流電路的動態(tài)性能，其次，通過理論證明負載擾動和無功電流iq≠0影響控制系統(tǒng)的動態(tài)性能，然后提出在dq電流解耦控制中引入瞬態(tài)直接電流思想的改進q軸混合控制方法，在dq電流解耦控制中引入負載電流前饋和無功電流iq≠0環(huán)節(jié)，改善了d軸電流id的響應速度，提高了控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。最后，實驗結果對比表明，混合控制方法在負載突變、直流側電壓給定值突變和船上柴油發(fā)電機電壓跌落3種情況下，直流側電壓超調差最小，與最長調整時間相比減少了65%左右。

關鍵詞：海洋電磁發(fā)射機；可控源整流電路；動態(tài)性能；混合控制；改進q軸；瞬態(tài)直接電流

中圖分類號：TM461 " " " " " " 文獻標志碼：A " " " " 文章編號：1007-449X（2024）07-0168-10

Dynamic performance optimization of controllable source rectification circuit for marine electromagnetic transmitter

Tao Haijun1，2， Zhang Chenjie1， Song Jiayao1， Zhao Mengen1， Zhang Guopeng1，2

（1. School of Electrical Engineering and Automation Henan Polytechnic University Jiaozuo 454003 China;2. Henan International Joint Laboratory of Direct Drive and Control of Intelligent Equipment Jiaozuo 454003 China

Abstract： The marine electromagnetic transmitter generates inrush voltage at the bus when operating in nonideal condition， which damages the switching tubes and filtering capacitors in serious cases， for which a hybrid control strategy is proposed. Firstly， the dynamic performance of the controllable source rectifier circuit of marine electromagnetic transmitter is analyzed based on the feedforward decoupling control strategy in dq coordinate system， and secondly， it is proved theoretically that the load perturbation and the reactive current iq ≠ 0 affect the dynamic performance of the control system， and then an improved q-axis hybrid control method is proposed by introducing the idea of transient direct current in the decoupling control of the dq current， and the introduction of the load current feedforward and the reactive current iq≠0 link， which improves the response speed of the d-axis current id and enhances the dynamic performance of the control system. Finally， the comparison of experimental results shows that the hybrid control method minimizes the overshooting difference of the dc-side voltage in three cases， namely， sudden change of load， sudden change of DC-side voltage given value， and voltage dips of the shipboard diesel generator， and reduces about 65% compared with the longest adjustment time.

Keywords： marine electromagnetic transmitter; controlled source rectification circuit; dynamic performance; mixed control; improved q-axis; transient direct current

0 引 言

隨著陸地資源開發(fā)利用日趨有限、陸地生存環(huán)境日益惡化，開發(fā)利用海洋資源已成為解決人類社會生產、生存和發(fā)展的必然選擇。其中，海洋可控源電磁探測方法是海洋資源勘探的有效手段[1-3]。在地質勘探方法中，海洋電磁勘探方法通過各種氣體和液體資源、電導率的差異作為依據，觀測其電磁場來實現(xiàn)對目標的探測。目前，國產海洋電磁發(fā)射機對1000m以內的油氣勘探效果較好，但對于更深層資源，還有許多技術問題有待解決。

為了提高海洋電磁發(fā)射機輸出的電能質量，并滿足海洋電磁發(fā)射機輸入高壓輸出低壓的應用要求，因此海洋電磁發(fā)射機可控源整流電路需采用級聯(lián)H橋多電平結構。級聯(lián)H橋型拓撲使用耐壓值較低的功率開關器件，卻達到了較高的電壓等級，且其具有模塊化、便于維護、易擴展電平數(shù)等優(yōu)點。級聯(lián)H橋整流器（cascade H-bridge rectifier，CHBR）是大功率海洋電磁發(fā)射機的重要組成部分，其工作性能關乎到海洋電磁發(fā)射機的開關管和濾波電容的可靠工作。當海洋電磁發(fā)射機在負載突變、船上電源電壓跌落等非理想狀況時，會導致直流側電壓出現(xiàn)較大的超調，嚴重時會使海洋電磁發(fā)射機中開關器件損壞，其還能引起嚴重的電磁干擾問題，使控制器發(fā)生誤動作，從而導致裝置不能正常運行。因此，深入研究提高海洋電磁發(fā)射機可控源整流電路的動態(tài)性能，是解決上述問題的有效途徑。

針對可控源整流電路（controlled source rectifier circuit，CSRC）動態(tài)性能問題，很多國內外學者已經提出了很多相應的控制方法，其主要分為“電流控制”和“功率控制”兩部分。其中，“電流控制”主要分兩類：“間接電流控制”[4]和“直接電流控制”?！伴g接電流控制”具有動態(tài)響應速度慢的缺點，因其不能廣泛應用。 “直接電流控制”因其具有結構簡單、動態(tài)響應速度快等優(yōu)點被廣泛應用?！爸苯与娏骺刂啤卑ǎ罕壤C振（proportional resonance，PR）電流控制[5]、瞬態(tài)直接電流控制[6]、滯環(huán)電流控制[7]、模型預測電流控制[8]、基于dq坐標系下的前饋電流解耦控制[9]。文獻[10]提出一種基于dq坐標系下的前饋電流解耦控制上引入有功電流和無功電流的閉環(huán)控制，提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應速度。文獻[11]提出一種dq電流解耦控制下的瞬時電流控制方法，相比于dq電流解耦控制有更好的動態(tài)性能。文獻[12]提出一種在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時用負載電流前饋的dq電流解耦控制，在系統(tǒng)瞬態(tài)時用i*q≠0變結構控制改進方法，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。文獻[13]提出了一種使用模糊控制，綜合考慮單位功率因數(shù)和母線電壓穩(wěn)定值作為無功電流iq參考值設定的方法，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時 iq=0 維持單位功率因數(shù)運行，系統(tǒng)動態(tài)時 iq≠0 加快有功電流 id 和母線電壓 Udc 的響應速度。文獻[14]由負載擾動時瞬時功率關系，提出一種改進的負載電流前饋控制方法，提高了整流器的動態(tài)性能。文獻[15]提出一種負載電流前饋比例諧振（PR）控制策略，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和實現(xiàn)了無靜差跟蹤。文獻[16] 提出一種變 iq 負載功率前饋控制方法，該方法減小了直流電容容量且提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

綜上所述，目前，有許多的直接電流控制算法應用于可控源整流電路中，很多解決方法都是改進控制器PI或優(yōu)化前饋控制，從而達到提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。但是直流側母線電壓調節(jié)都會受到調制系統(tǒng)飽和影響，實際應用效果不佳。因此，提高系統(tǒng)動態(tài)性能的前提是緩解d軸電流變化速度的限制。這就需要對傳統(tǒng)的dq坐標系下的前饋解耦控制進行改進。本文以海洋電磁發(fā)射機可控源整流電路為研究對象，以提高海洋電磁發(fā)射機可控源整流電路的動態(tài)性能為目標。首先在dq坐標系下分析了海洋電磁發(fā)射機可控源整流電路的動態(tài)性能，其次建立兩級可控源整流電路數(shù)學模型，然后分析在dq坐標系下的前饋解耦控制基礎上引入負載電流前饋環(huán)節(jié)和利用無功電流isq≠0對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，進而設計一種dq電流解耦控制上引入瞬態(tài)直接電流控制的改進q軸混合控制方法。最后實驗結果對比表明，該混合控制有良好的動態(tài)性能，驗證了所提混合控制方法的有效性。

1 海洋電磁發(fā)射機整流電路動態(tài)性能分析

1.1 "海洋電磁發(fā)射機工作原理及拓撲

海洋電磁發(fā)射機電路拓撲結構如圖1所示。海洋電磁發(fā)射機系統(tǒng)由船上電源、拖纜、水下拖體和發(fā)射偶極四部分組成。船上電源專門為水下拖體提供電能，其由柴油發(fā)電機、PWM逆變電路、升壓變壓器、整流濾波電路等組成。拖纜是一種傳輸電力信號的光電復合纜。水下拖體由發(fā)射偶極、可控源電路、發(fā)射橋電路等組成?？煽卦措娐份敵鰹橹绷麟妷?，其由發(fā)射橋生成時域或頻域信號經過發(fā)射偶極向海底發(fā)射電磁波。

1.2 可控源整流電路的數(shù)學建模與控制

下面以兩H橋級聯(lián)的可控源整流電路為例進行分析，如圖2所示。圖中Us和is分別為網側電源電壓和網側電感電流；L為網側電感；Uo為交流輸入電壓； R1， R2為各模塊直流側負載；Si1，Si2（i=1，2）為第i個H橋單元的開關器件；Udc1，Udc2為各H橋單元直流側電壓；C1， C2為各H橋電容。

3 實驗驗證

實驗平臺參數(shù)如表1所示。

為驗證本文所提控制方法的有效性，本文搭建了四H橋級聯(lián)的可控源整流電路小功率實驗平臺，各H橋單元直流側電容相等，直流側負載為電阻，網側采用L型濾波電感。

圖8為四H橋級聯(lián)的可控源整流電路在混合控制策略下輸入側電壓波形，從圖可以看出輸入側電壓為9電平。

負載在R=15Ω時啟動，某時刻負載由15Ω增加至20Ω。從圖9（a）可知，系統(tǒng)在dq電流解耦控制策略下，直流側電壓超調量為11.2V左右，在144ms左右才能穩(wěn)定。從圖9（b）可知，系統(tǒng)在負載電流前饋控制策略下，直流側電壓超調量為6V左右，在40ms左右才能穩(wěn)定。從圖9（c）可知，系統(tǒng)在混合控制策略下，直流側電壓超調量幾乎沒有，也基本沒有過渡時間。相比于在dq坐標系下的前饋控制策略和負載電流前饋控制策略，混合控制算法動態(tài)性能好。

可控源整流電路在直流側電壓設定值U*dc=435V時啟動，在某時刻，直流側電壓設定值由435V突變至500V。由圖10（a）可知，系統(tǒng)在dq電流解耦控制策略下，母線電壓超調量為25.2V左右，母線電壓需要216ms左右時才能穩(wěn)定，網側電流在80ms左右穩(wěn)定。從圖10（b）可知，系統(tǒng)在負載電流前饋控制策略下，母線電壓超調量為19.6V左右，母線電壓在120ms左右時才能穩(wěn)定，網側電流在50ms左右穩(wěn)定。從圖10（c）可知，系統(tǒng)在混合控制策略下，母線電壓超調量為16.8V左右，母線電壓在76ms左右時才能穩(wěn)定，網側電流在32ms左右穩(wěn)定。所以相較于在基于dq坐標系下的前饋解耦控制策略和負載電流前饋控制策略，該混合控制算法具有更加優(yōu)越的動態(tài)性能。

圖 11為在船上柴油發(fā)電機電壓跌落下的實驗波形，船上柴油發(fā)電機電壓源幅值在某時刻由 311V降為 255V。從圖11可知，三種控制策略在船上柴油發(fā)電機電壓跌落后直流側電壓 Udc都有一定的電壓超調，網側電流 is 需要逐步增大用來補償船上柴油發(fā)電機電壓突降對直流側功率產生的影響。圖11（a）中在基于dq旋轉坐標系下的前饋解耦控制策略下在電網電壓跌落后，直流側電壓Udc突變波動為9.8V左右，需要112ms 左右才能穩(wěn)定，用時較長且直流側電壓具有較大的波動。圖11（b）中負載電流前饋控制策略下在電網電壓跌落后，直流側電壓Udc突變波動為5.8V左右，需要72ms 左右才能穩(wěn)定.圖11（c）中當采用混合控制策略時，船上柴油發(fā)電機電壓跌落后，直流側電壓Udc突變波動幾乎沒有，直流側電壓僅需要 38ms 就能穩(wěn)定，相比于在dq旋轉坐標系下的前饋解耦控制算法，該混合控制算法動態(tài)性能好。

綜上所述，在dq電流解耦控制、負載電流前饋控制和混合控制在船上柴油發(fā)電機電壓跌落、負載突變和直流側電壓階躍三種情況下進行對比分析，實驗結果表明在負載突變時，本文控制策略直流側電壓超調差幾乎沒有，也基本沒有過渡時間。在直流側電壓階躍時，本文控制策略與dq電流解耦控制相比，直流側電壓超調差減少了33.3%，與dq電流解耦控制最長調整時間相比降低了64.8%。在船上柴油發(fā)電機電壓跌落時，本文控制策略直流側電壓超調差幾乎沒有電壓超調，與dq電流解耦控制最長調整時間相比降低了63.8%。從上面數(shù)據可以看出混合控制策略在多種非理想工況下，相比于在dq坐標系下的前饋解耦控制策略和負載電流前饋控制策略下具有更加優(yōu)良的控制性能，采用本文所提出的方法可有效改善海洋電磁發(fā)射機系統(tǒng)中整流電路的動態(tài)性能。

4 結 "論

本文海洋電磁發(fā)射機可控源整流電路為研究對象，以研究目標為提高海洋電磁發(fā)射機系統(tǒng)中整流級動態(tài)性能，提出一種在dq電流解耦控制上引入瞬態(tài)直接電流思想的改進q軸混合控制方法，可以得到以下結論：

（1）在dq坐標系下的前饋解耦控制中引入負載電流前饋環(huán)節(jié)，可以將負載的擾動信息通過前饋環(huán)節(jié)作用于電流給定值，使系統(tǒng)提前做出相應動作，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。

（2）在dq坐標系下的前饋解耦控制中引入無功電流-isq，加快了isd的減小速度，且可以減緩直流母線電壓的上升速度，提高控制系統(tǒng)的動態(tài)性能。

實驗結果表明，本文提出的混合控制方法在多種非理想工況情況下，與在dq電流解耦控制方法相比，本文混合控制方法具有動態(tài)響應速度快、魯棒性強和直流側電壓超調小等優(yōu)點，滿足了海洋電磁發(fā)射機在水下長時間工作時對實時工況高響應速度的要求。

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