異步電機高頻電壓穿越控制系統設計

摘 ?要： 異步電機在高頻電壓作用下輸出偏差較大、功率飽和度差，為了提高異步電機高頻電壓穿越控制能力，提出基于零相移濾波和電機動態頻率響應特性分析的異步電機高頻電壓穿越控制方法。構建異步電機高頻電壓穿越的交流頻率和直流電壓參數分析模型，采用直流型分布式電源輸出轉換控制的方法進行異步電機高頻電壓輸出特征檢測，建立異步電機高頻電壓穿越的間歇性波動控制模型，采用零相移濾波方法進行控制過程的干擾抑制，根據電機的動態頻率響應進行干擾抑制和反饋調節，結合交直流混合微電網控制結構實現異步電機高頻電壓穿越控制系統設計。測試結果表明，采用該系統進行異步電機高頻電壓穿越控制的輸出穩定性較好，功率響應飽和度較高，提高了電機的輸出效能。

關鍵詞： 異步電機; 高頻電壓; 穿越控制; 系統設計; 干擾抑制; 系統測試

中圖分類號： TN876?34; TM46 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）24?0060?03

Design of high?frequency voltage ride?through control system for asynchronous motor

ZENG Fanzheng

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Hezhou University， Hezhou 542899， China）

Abstract： In allusion to the problem that the output deviation of asynchronous motor is large and the power saturation is poor under the action of high?frequency voltage， a asynchronous motor high?frequency voltage ride?through control method based on the zero phase?shift filter and the dynamic frequency response characteristic analysis of the motor is proposed to improve the high?frequency voltage ride?through control of the asynchronous motor. The alternating current frequency and the direct current （DC） voltage parameter analysis model of the high?frequency voltage ride?through of the asynchronous motor are constructed. The DC distributed power supply output conversion control method is used to detect the high?frequency voltage output characteristic of the asynchronous motor， and establish the intermittent fluctuation control model of the high?frequency voltage ride?through of the asynchronous motor. The zero phase?shift filter method is used to perform the interference suppression in the control process， the interference suppression and the feedback adjustment are carried out according to the dynamic frequency response of the motor， and the design of high?frequency voltage ride?through control system of the asynchronous motor is realized by combing with the AC/DC hybrid microgrid control structure. The testing results show that the output steady?state and power respond saturation of the high frequency voltage ride?through control of asynchronous motor is better in this system， which improves the output efficiency of the motor.

Keywords： asynchronous motor; high?frequency voltage; ride?through control; system design; intermittent fluctuation; system testing

0 ?引 ?言

異步電機作為主流發電裝置，在工業自動化領域應用十分廣泛，但異步電機在高頻電壓穿越過程中受到高頻電壓的干擾，導致負荷增大且輸出飽和度不高，降低了電機的輸出功率。因此提高異步電機高頻電壓穿越穩定性的研究備受重視[1]。

對異步電機的高頻電壓穿越控制方法主要有：功率因素調節方法、PID控制方法和模糊虛擬控制方法等[2]，但傳統方法采用負荷的波動性調節方法進行異步電機的輸出控制，高頻電壓穿越控制的輸出穩定性不好[3]。針對上述問題，本文提出基于零相移濾波和電機動態頻率響應特性分析的異步電機高頻電壓穿越控制方法，對電機控制約束參量分析，然后進行參數優化模擬，結合硬件設計方法實現電機控制系統設計，并通過仿真實驗進行性能驗證。

1 ?系統總體構架

首先進行系統的總體架構設計：在MCU控制單元進行異步電機高頻電壓穿越的遠程控制，構建異步電機高頻電壓穿越參數的智能檢測平臺，設計接口程序實現人機交互，設計控制算法進行異步電機高頻電壓穿越過程的可靠性控制，建立異步電機高頻電壓穿越的參數分析模型[4]，采用參數自適應尋優方法進行異步電機高頻電壓穿越控制的參數模擬，以輸出功耗和效率為控制約束參量，進行異步電機高頻電壓穿越控制的輸出轉換調節。

根據上述設計原理，構建異步電機高頻電壓穿越控制系統的主控模塊，基于IEEE 488.2標準下Bus總線，進行異步電機高頻電壓穿越集成智能監測，在嵌入式處理器中進行電機組在線控制，構建時鐘電路，進行異步電機高頻電壓穿越的中斷控制，在固化的ROM中進行信息采集和電機參數的自整定性調節[5]，得到系統的總體設計構架如圖1所示。

2 ?控制算法設計

2.1 ?控制約束參量分析

進行電機控制算法設計，假設異步電機的電壓相量[k1]和阻尼繞組系數[kβ]，引入異步電機的機械運動方程，得到異步電機高頻電壓穿越約束參量為：

[Tem=πkfkck1kβBrlmlslw（2rr+2lg+lw）Jculnrr+lg+lwrr-lm] （1）

[k1=1-10.9[rr（βp（lg+lw））]2+1] ? ? ? （2）

[kβ=α（β，kc）kc] （3）

求得異步電機交流一次調頻下垂功率損耗為：

[Ploss=I2p（Rp+Rcp+2RIGBT）+I2s（Rs+Rcs+2Rdon）] （4）

采用直流型分布式電源輸出轉換控制的方法進行異步電機高頻電壓輸出特征檢測，得到異步電機的傳輸效率：

[η=I2sReqPloss+I2sReq] （5）

通過控制相角差實現交直流母線接口變換，經過電壓?電流雙閉環跟蹤控制后優化參數結果：

[Fm=Brlmμ0μr1] ? （6）

式中：異步電機電壓、電流環的磁導率[μ0=4π×10-7] H/m，[μr1]和[μr2]為異步電機的虛擬轉子角頻率和磁導率。構建控制約束參量模型，根據參數辨識結果進行控制算法的優化設計[6]。

2.2 ?電壓穿越控制律優化

建立異步電機高頻電壓穿越的間歇性波動控制模型，采用零相移濾波方法進行控制過程的干擾抑制[7]，針對異步電機的單極性特點，得到異步電機的變頻約束參量為：

[Δv（l）=LQΔf（l）+LJf（l）+LE[Δf（l）-Δf（l-1）]] （7）

式中：[LQ]表示異步電機零相移濾波輸出電流;[LJ=LQUUJ]是負荷波動頻率;[LE=LQUEU]是異步電機高頻電壓穿越控制的微分參數。基于負荷功頻特性調節方法，得到異步電機的動態功率波動參數為：

[Z1=Zm+Req+ZsZp（Zm+Req+Zs）+（Req+Zs）Zm] （8）

根據電機調頻參數和負荷功頻特性進行異步電機控制的輸出參數反饋調節，得到的功率增益為：

[GV=ReqZ3·Z2Z1=（ac-bd）2+（bc+ad）2-12] ? （9）

采用零相移濾波方法進行控制過程干擾抑制，根據電機的動態頻率響應進行干擾抑制和反饋調節[8]，得到電機的優化控制目標函數為：

[x1=f1（x1，x1，x2，x2）+b11u1+b12u2x2=f2（x1，x1，x2，x2）+b21u1+b22u2y1=x1y2=x2] （10）

式中：[yi]是第[i]通道的高頻電壓穿越調節器參數;[fi（x1，x1，x2，x2）]是動態耦合的參數[，i=1，2];[bij]是間歇性波動控制系數，幅值和相角的聯合特征分量為[bij（x，x，t）]。根據電機的動態頻率響應進行干擾抑制和反饋調節，得到優化控制參數分布矩陣為：

[B（x，x，t）=b11（x，x，t）b12（x，x，t）b21（x，x，t）b22（x，x，t）] ? （11）

根據電機的動態頻率響應實現異步電機高頻電壓穿越控制[9]，控制律微分方程為：

[x1=f1（x1，x1，…，xm，xm）+U1x2=f2（x2，x2，…，xm，xm）+U2y1=x1y2=x2] （12）

根據上述公式，實現電壓穿越控制律優化設計。

3 ?控制系統硬件設計實現

在上述算法基礎上進行系統的硬件模塊化設計，設計包括功率放大、功率測試、低頻轉換和輸出接口等模塊，異步電機高頻電壓穿越控制信息采集的多通道數據記錄動態范圍設定為-10～10 dB，基于IEEE 488.2標準下BUS總線，進行異步電機高頻電壓穿越集成智能控制[10]，采用ADSP?BF537BBC?5A實現異步電機高頻電壓穿越控制的總線設計，得到的硬件設計如圖2所示。

4 ?實驗測試分析

實驗中取異步電機的輸出最大功率值為600 kW，目標功率為450 kW，交流頻率為24 kHz，異步電機的直流電壓最大波動約為16 V，異步電機在高頻電壓穿越時的轉矩輸出為12 N·m，模式切換頻率為1.58 kg/m2。電機控制的約束變量分布見表1。

由表1參數辨識結果得知，采用該系統進行異步電機高頻電壓穿越控制的輸出穩態性較好，功率響應飽和度較高，提高了電機的輸出效能。根據上述結果進行穿越控制測試，得到控制性能曲線如圖3所示。

由圖3可知，本文設計系統的輸出穩定性較好，收斂性較強。

5 ?結 ?語

本文構建異步電機高頻電壓穿越的控制約束參量模型，根據參數辨識結果進行優化設計控制算法。實驗結果證明，該系統設計的異步電機高頻電壓穿越控制的輸出穩定性較好，輸出增益較高，具有較好的實際應用價值和廣闊的發展空間。

參考文獻

[1] 王永旭，溫渤嬰.高壓直流輸電交流濾波器與交流系統最大并聯阻抗的分析與計算[J].中國電機工程學報，2015，35（11）：2703?2710.

[2] 王群，董文略，楊莉.基于Wasserstein距離和改進K?medoids聚類的風電/光伏經典場景集生成算法[J].中國電機工程學報，2015，35（11）：2654?2661.

[3] 蘇宏升，嚴巖，車玉龍.含光伏電場的電力系統概率潮流計算[J].控制工程，2018，25（12）：2197?2202.

[4] 宮婭寧，秦紅，付洪斌，等.考慮源荷不確定性的光伏發電系統優化調度策略[J].電力科學與技術學報，2019，34（2）：112?118.

[5] 毛煜茹，劉瑩，謝擁軍，等.金屬接觸非線性引起的無源互調效應的數值分析[J].電子學報，2015，43（6）：1174?1178.

[6] 胡榮娜，郭愛煌.車聯網中基于功率控制的傳輸可靠性算法[J].計算機應用，2015，35（6）：1523?1526.

[7] 丁青青，魯偉，徐長波，等.三相并聯混合有源電力濾波器的無源控制策略[J].電機與控制學報，2014，18（5）：1?6.

[8] 黃文卿，張興春，張幽彤.一種交流逆變器死區效應半周期補償方法[J].電機與控制學報，2014，18（5）：24?29.

[9] 鄧祥力，姚媛媛，涂勇.基于等效勵磁電感波形相似度的變壓器繞組輕微故障檢測方法研究[J].高壓電器，2018，54（12）：165?173.

[10] 李寧，李亞光，王宏興，等.分數階永磁同步電機混沌系統模糊跟蹤控制[J].信息與控制，2016，45（1）：8?13.

[11] 馬美玲，王杰，王子強，等.多機系統全局相軌線的暫態穩定性分析[J].中國電機工程學報，2019，39（15）：4385?4395.

[12] 魏少攀，楊明，韓學山，等.基于相軌跡MLE指標的暫態功角穩定在線辨識[J].電力系統自動化，2017，41（16）：71?79.

[13] 周艷真，吳俊勇，于之虹，等.基于轉子角軌跡簇特征的電力系統暫態穩定評估[J].電網技術，2016，40（5）：1482?1487.

[14] MART?NEZ Y P， VIDAL C. Classification of global phase portraits and bifurcation diagrams of Hamiltonian systems with rational potential [J]. Journal of differential equations， 2016（11）： 5923?5948.

[15] WANG TAO， CHIANG H D. On the number of unstable equilibrium points on spatially?periodic stability boundary [J]. IEEE transactions on automatic control， 2016， 61（9）： 2553?2558.

作者簡介：曾繁政（1983—），男，廣西梧州人，碩士，副教授，高級實驗師，研究方向為智能控制、實驗教學等。