基于非线性补偿的大功率晶闸管整流控制器的研究

刘 凯，彭晓玮，李云钢

（1.天津大沽化工股份有限公司，天津 300455；2.湖南科瑞变流股份有限公司，湖南 株洲 412000）

大功率整流器是指功率在10 MW级以上的整流器，主要应用于冶金、化工、石油、造纸、矿山、直流输配电等领域，其常用的半导体器件为二极管和晶闸管[1-3]。晶闸管整流器可以快速调节电压和电流，效率通常在99.5%以上，随着晶闸管整流技术的日趋成熟，晶闸管整流器已成为国内氯碱电解直流电源转换装置的首选[4-6]。随着对控制性能要求的不断提高，需要对控制算法进行深入研究。晶闸管控制系统是一个非线性系统，主要体现在触发角与直流输出平均电压之间是非线性关系[7-8]。此外，由于晶闸管是半控器件，只有当受到反向电压作用才会截止，控制触发信号改变之后并不会立刻起作用，这一短时失控可等价于一个延时环节，它也是一个非线性环节[9]。这些非线性环节会影响全局性能及动态响应特性。对此，文献[10]中提出使用局部线性化，解决了控制角与输出电压的非线性问题，并将延时环节等效为一阶惯性环节，利用线性系统的设计方法来设计控制器。随着数字控制技术的发展，计算速度与计算精度已不会约束控制算法的实现[11]，采用非线性补偿技术实现全局线性化成为可能，可以有效解决控制器在全局范围内性能不一致的问题。因此，本文采用这种方法实现全局线性化设计，并通过仿真分析延时环节等效为一阶惯性环节的限制条件，为控制器PI参数的选型提供依据。

1 大功率晶闸管整流系统结构

图1 大功率晶闸管整流系统结构图

图1 是大功率晶闸管整流系统的结构图。系统主要由高压部分、整流变压器、晶闸管整流器、无功补偿装置等组成。高压部分包括高压电网和高压开关柜。目前大功率晶闸管整流器有35kV、110kV、220kV这几种电压等级，且在往330kV及以上电压方向发展。

整流变压器用于将高压电网电压变换成整流装置所需的电压，并调整相位角以满足网侧和阀侧的运行要求[12]。常用晶闸管整流电路主要有双反星和三相桥两种[13]。三相桥电路主要应用于高电压场合，双反星电路一般应用在低压大电流场合。

图2为晶闸管整流器的控制器框图。本文采用的晶闸管整流控制器是以TMS320F28335为核心的双通道全数字控制结构，控制器A、B两通道互为热备冗余，当主通道出现故障时，备用通道自动无扰切换，以保证系统的可靠性和可用性。电流闭环控制算法由DSP软件实现，通过控制导通角，控制输出直流电压。同时，可根据客户不同的需求，增加无功补偿装置进行谐波滤波和无功补偿。

图2 大功率晶闸管整流器基本控制原理框图

2 大功率晶闸管整流的控制技术

2.1 全局非线性补偿方法

下面以三相全控桥式整流电路为例来进行分析。晶闸管控制角α与整流器直流输出平均电压Ud（α）的关系见式（1）[14-15]。

式中，Urms为阀侧相电压有效值。

根据式（1）可得控制角α与直流输出电压Ud的关系见图3（a），控制角与输出电压关系图见图3（b）。直流输出电压与控制角之间不是线性关系，需要线性化之后才可使用控制器进行控制。文献[10]通过选定两个参考工作点，对直流平均电压Ud（α）和控制角α之间关系式进行泰勒展开，取其前两项，忽略高阶项，进行局部线性化。

图3 控制角与输出电压的关系

图4 （a）为采用控制角α直接控制的控制框图。此过程为非线性，本文构造一个新的函数α（β），见图4（b），使得当β均匀变化时，Ud也跟随它均匀变化，见图 4（c）。

图4 非线性补偿过程

根据以上分析，定义：

式中 β∈（0，120°）。

2.2 线性补偿系统建模与控制

在三相电路整流控制系统的动态过程中，由于晶闸管是半控器件，其导通后，需要受到反向电压作用才能截止，控制触发信号的改变并不会立刻起作用。这一短时失控相当于一个延时环节，其对应的传递函数为[10]：

在进行控制器设计时，将其等效为一阶惯性环节：

目前对失控时间Td的取法大致有两种，一种是每个周期控制一次脉冲触发信号，此时Td=20 ms。另一种是按每个波头控制一次脉冲触发信号，此时Td=3.33 ms。

3 仿真与分析

延时环节在低频时段可以等效为惯性环节，在高频时段，延时环节是不稳定，发散的。因此，将延时环节等效为惯性环节设计出的PI参数，在延时环节是否适用，需要进行仿真验证。

延时环节的系统控制框图见图5。

图5 延时环节系统控制框图

通过将其等效为惯性环节，可求得闭环传递函数为：

简单起见，只考虑临界阻尼的情况，即ξ=1，此时有，kp=2Tdωn-1，ki=Tdωn2。

在Td=20 ms和Td=3.33 ms时，取不同的ωn进行仿真，延时环节的仿真结果分别见图 6（a）、（b）、（c）和图 7（a）、（b）、（c）。

图6 Td=20 ms时延迟环节仿真结果波形图

图7 Td=3.33 ms时延迟环节仿真结果波形图

由图6可得，对于 Td=20 ms，当 ωn=25～33 rad/s时，kp=0～0.32，ki=12.5～21.78，此时延时环节近似等于惯性环节，系统稳定运行。当ωn＜25 rad/s时，系统仍可稳定运行，只是不是最小相位系统；当ωn＞33 rad/s时，延环节不受控，波形发散，系统不稳定。故kp的实际可取值范围为0～0.32，ki的实际可取值范围为12.5～21.78。由图7可得，对于Td=3.33 ms，当ωn=151.51～235 rad/s 时，kp=0～0.551，ki=75.75～182.24，此时延时环节近似等于惯性环节，系统稳定运行。当ωn＜151.51 rad/s时，系统仍可稳定运行，只是不是最小相位系统；当ωn＞235 rad/s时，延时环节不受控，波形发散，系统不稳定。故kp的实际可取值范围为 0～0.551，ki的实际可取值范围为 75.75 ～182.24。从上述分析可得到，在Td=3.33 ms时，ωn=151.51～235 rad/s，系统稳定，频带较大，动态响应快。

4 结语

晶闸管整流系统是一个非线性系统，这会约束其全局性能及动态响应特性，本文通过非线性补偿技术进行全局线性化，使得控制角与直流输出平均电压呈线性变化，有效解决了控制器在全局范围内性能不一致的问题。同时通过仿真实验，得到了延时环节近似等效为一阶惯性环节时、的取值范围，同时验证了当时，系统频带更宽，动态响应更快。