第３２卷第８期 舰船科学技术 Ｖｏ１．３２，Ｎｏ．８ ２０１０年８月 ＳＨＩＰ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ａｕｇ．，２０１０ 基于功率控制模式的调节器研究 胡传西，汪 伟，刘忠举，李明勇 （中国船舶重工集团公司第七一二研究所，湖北武汉４３００６４） 摘 要： 为保障船上电网的安全稳定，电力推进系统在恶劣海况下，由转速控制模式切换到功率控制模式，使 推进功率保持稳定。本文首先分析了功率控制的２种控制方案，通过对比分析，指出功率开环控制的缺点；然后对功 率闭环控制模式进行了分析；最后对２种经典调节器进行对比分析，结合控制要求设计出适合的调节器，并在３００ ｋＷ 级变频驱动装置上进行了试验验证，给出了试验波形及分析结果，验证了调节器设计的有效性。 关键词： 功率控制；超速限制；调节器 中图分类号： Ｕ６６５．１１ 文献标识码： Ａ 文章编号： １６７２—７６４９（２０１０）０８—０２１４—０３ ＤｏＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—７６４９．２０１０．０８．０４５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ａｄｊｕｓｔｅｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ＨＵ Ｃｈｕａｎ—ｘｉ，ＷＡＮＧ Ｗｅｉ，ＬＩＵ Ｚｈｏｎｇ－ｊｕ，ＬＩ Ｍｉｎｇ—ｙｏｎｇ （Ｔｈｅ ７ １ ２ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＳＩＣ，Ｗｕｈａｎ ４３００６４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｇｒｉｄ ｆｏｒ ｓｈｉｐ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｉｓ ｃｈａｎｇｅｄ ｆｒｏｍ ｓｐｅｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｉｎ ａｔｒｏｃｉｏｕｓ ｓｅａ ｓｔａｔｕｓ ｔｏ ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ ｐｏｗｅｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅ ｔｗｏ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ ａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｐｏｗｅｒ ｏｐｅｎ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｃｌｏｓｅ ｌｏｏｐ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｔ ｌａｓｔ，Ｇｅｔ ａｃｒｏｓｓ ｃｏｎｔｒａｓｔｉｖｅｌｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｗｏ ｃｌａｓｓｉｃａｌ ａｄｊｕｓｔｅｒｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｄｅｍａｎｄｓ，ａ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ａｄｊｕｓｔｅｒ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｉｔ ｉｓ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ３００ ｋＷ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ａｎｄ ａｎａｌｙｔｉｃ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｅｆｆｅｃｔ ｆｏｒ ｔｈｅ ａｄｊｕｓｔｅｒ。 Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ；ｏｖｅｒ ｓｐｅｅｄ ｌｉｍｉｔ；ａｄｊｕｓｔｅｒ ０ 引 言 节，输出转矩电流分量；功率开环控制采用直接根据 电机转速和磁链计算转矩电流分量，计算公式如下： 船上电网一般为小电网，为保障船上电网的安全 Ｐ。 ，一一 ，１、 稳定，电力推进系统在恶劣海况下，必须由转速控制 。 ：ｌｃ ，模式切换到功率控制模式，使推进功率保持稳定，且 式中：Ｐ 为电机输出有功功率；力，为电机机械角速 要求能平滑、来回切换。随着海况剧变，功率模式下 度； 为转子磁链幅值；， 为转矩电流分量。 又存在飞车的危险，必须进行超速保护，保证系统安 功率闭环控制优缺点如下： 全运行。因此，如何合理设计调节器，保证超速保护 １）ＰＩ调节相当于加入过渡曲线，过渡平滑； 响应快速性和模式切换的平滑性是亟待解决的问题。 ２）闭环调节，控制精度高； １ 功率控制模式研究 ３）ＰＩ调节存在退饱和时间，响应慢； ４）需不断调试ＰＩ参数，增加实验调试难度。 功率控制模式分为闭环控制和开环控制２种。 功率开环控制模式优缺点如下： 功率闭环控制通过对给定功率和反馈功率进行 ＰＩ调 １）响应快，不存在超调量； 收稿臼期：２０１０—０４—２０ 作者简介：胡传西（１９８２一），男，工程师，研究方向为电力电子及电气传动。 第８期 胡传西，等：基于功率控制模式的调节器研究 ・２１５・ ２）算法简单，减小实验调试难度； ３）控制精度低； ４）转矩电流分量计算引入电机转速和转子磁链 （观测难度大，幅值变化直接影响功率控制精度），降 电流分量值，其计算结果与外环计算结果比较取最小 值。正常工况下，超速限制和功率限制计算转矩电流 分量为限幅值，超速限制、功率限制不起作用。当海 况剧变或发电机跳闸时，超速限制、功率限制环输出 转矩电流分量迅速减小；当比外环计算转矩电流分量 小时，超速限制或功率限制起作用，系统在限制转速 低系统可靠性和功率控制精度，若转子磁链观测出现 偏差和波动，直接体现在功率控制上。 功率控制模式目的是恒功率运行，保证船上电网 或功率下安全运行。 安全，要求功率控制偏差和波动不能太大，要求系统 可靠性高，而对快速性能要求不高，所以功率控制采 ３ ＰＩ调节器的设计 用功率闭环的控制模式。 常用的数字ＰＩ调节器算法分为位置式ＰＩ调节 ２ 功率闭环控制模式分析 器和增量式ＰＩ调节器 。 位置式ＰＩ调节器算法： 当海况剧变时，螺旋桨负载突变，功率控制模式下 ｋ 就存在飞车危险和发电机安全运行问题。为了保证整 Ⅱ（ｋ）＝Ｋ，ｅ（ｋ）＋Ｋ，∑ｅ（ｊ 。—＝—ｏ ｊ）； （２） 个系统正常安全运行，必须采用具有快速响应性能、较 增量式ＰＩ调节器算法： 高精度的超速限制；当某台发电机跳闸时，变频器必须 （｜ｉ｝）＝ （ｋ一１）＋ ［ｅ（ｋ）一 快速降低输出功率以保证电网安全，所以必须采取功 ｅ（ｋ一１）］＋ ，ｅ（ｋ）。 （３） 率限制。若采用开环控制，控制精度、可靠性难以保 位置式ＰＩ调节器由于全量输出，所以每次输出 证，且存在平滑过渡等问题，采用闭环控制必须要解决 均与过去的状态有关，计算工作量大，误动作影响大。 积分饱和对快速性能的影响…。同时，当海况发生变 由于输入的大幅变化造成控制输出很快变化，所以快 化时，为了保证系统安全和运行要求，要求能在功率控 速响应性能较好，适合控制精度要求高、响应要求较 制模式和转速控制模式之间平滑、来回切换 。 快的系统中。增量式ＰＩ调节器计算输出增量，误动 根据以上分析，控制系统框图如图１所示。根据 作时影响小，手动切换冲击小，便于实现无扰动切换。 海况不同人为选择功率模式或转速模式运行。选择 积分截断效应大，存在积分饱和影响 。 转速控制模式时，工作原理同传统矢量控制；选择功 功率模式和转速模式对转速或功率控制的精度 率控制模式时，根据要求给定功率并与实时检测的功 要求较高，且要求切换平滑；外环采用增量式调节器 率比较，经ＰＩ调节处理直接输出转矩电流分量，保持 时，尽管模式切换容易，过渡平滑，但ＰＩ调节器参数 电机功率恒定。超速限制和功率限制时刻计算转矩 的调节难度大，电机转速波动大。本文转速模式和功 图１控制系统原理图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ・２１６・ 舰船科学技术 第３２卷 率模式中ＰＩ调节器设计采用位置式调节器，利用其 良好的控制精度和稳定性，并加入转速模式、功率模 式切换处理。具体原理如图２所示，２种控制模式下 上次积分累加值为同１个值，这样模式切换时不存在 控制量突变现象，很好地解决了平滑切换问题。 图２转速模式功率模式切换处理 Ｆｉｇ．２ Ｓｗｉｔｃｈ ｄｅａｌ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｍｏｄｅ ｏｒ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｅ 超速限制和功率限制对快速响应性和控制精度 都有要求，也是外环调节器，ＰＩ调节器采用位置式ＰＩ 调节器。由于对快速性要求很高，同时兼顾过渡平滑 性，调节器设计时加入快速退积分饱和措施，条件判 断发生超速限制或功率限制。当条件满足时直接将 转速模式下或功率模式下的积分累加值赋给超速限 制或功率限制积分累加值，强行使ＰＩ调节器退饱和， 同时工况过渡平滑。具体原理如图３所示。 图３超速限制和功率限制ＰＩ处理 Ｆｉｇ．３ ＰＩ ａｄｊｕｓｔ ｄｅａｌ ｏｆ ｏｖｅｒ ｓｐｅｅｄ ｌｉｍｉｔ ｏｒ ｐｏｗｅｒ ｌｉｍｉｔ ４ 试验结果 根据以上原理进行了一系列试验，受控对象为 ３００ ｋＷ异步电机带３００ ｋＷ交流自励同步发电机组， 异步电机星形接法时额定电压为６５８ Ｖ，额定电流为 ３０４ Ａ。转速模式下电机稳定运行在４００ ｒ／ｍｉｎ，变频 器输出功率为３０ ｋＷ，突然切换到１００ ｋＷ恒功率模 式下运行，稳定后变频器输出功率为１００ ｋＷ，电机转 速为７００ ｒ／ｍｉｎ。稳定运行一段时间后，再切回到４００ ｒ／ｍｉｎ恒转速控制模式；实验波形如图４～图７所示。 来回切换过程中，电压、电流波形过渡平滑、稳定，试 验验证了ＰＩ调节器处理措施的有效性。 图４转速模式向功率模式切换电机电压、电流波形 Ｆｉｇ．４ Ｖ ａｎｄ １ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｓｗｉｔｃｈ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｅ 图５ 转速模式向功率模式切换电机电压、电流放大波形 Ｆｉｇ．５ Ｖ ａｎｄ Ｉ ａｍｐｌｉｆｙ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｓｗｉｔｃｈ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｅ 图６功率模式向转速模式切换电机电压、电流波形 Ｆｉｇ．６ Ｖ ａｎｄ １ ｗａＹｅｆｏｌ３＂ｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈ ｓｐｅｅｄ ｍｏｄｅ 图７ 功率模式向转速模式切换电机电压、电流放大波形 Ｆｉｇ．７ Ｖ ａｎｄ Ｉ ａｍｐｌｉｆｙ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈ ｓｐｅｅｄ ｍｏｄｅ （下转第２２３页） 第８期 张 凯，等：中高压大功率变频调速电机用绝缘漆研究 ・２２３・ （上接第２１６页） 参考文献 ［１］杨立永，陈智刚，李正熙，赵仁涛．新型抗饱和ＰＩ控制器 ５ 结 语 及其在异步电动机调速系统中的应用［Ｊ］．电气传动， ２００９，３９（５）：２０—２３． 本文基于异步电机矢量控制基础，研究了功率控 ［２］ 张杰，邹继纲，李文秀．多输人多输出系统的神经网络ＰＩＤ 制模式下超速限制和功率限制等问题及功率控制模 解耦控制器［Ｊ］．哈尔滨工程大学报，２０００，２１（５）：６—９． 式、转速控制模式切换问题，并根据控制要求合理设 ［３］ 陶永华．新型ＰＩＤ控制及其应用［Ｍ］．北京：机械工业出 计ＰＩ调节器，并就切换平滑性和响应快速性做出相 版社，２００２． 应的处理。通过相关一系列的试验，实现了各种工况 ［４］李永东．交流电机数字控制系统［Ｍ］．北京：机械工业出 版社，２００３． 的平滑切换和快速响应，得到较好的控制效果，验证 ［５］ 赵显红，孙立功．一种数字式步进电动机闭环位置控制 了设计的ＰＩ调节器是有效的。 系统设计［Ｊ］．微电机，２００８，（８）：９Ｏ一９２． （上接第２１９页） 母线用绝缘胶粘剂的基本配方和合成技术路线，制备 ［５］ 张立群，等．导热高分子材料的研究和开发进展［Ｊ］．合 了能满足大功率变流装置层压母线用胶粘剂，并对胶 成橡胶工业，１９９８，２１（１）：５７—６２． 粘剂的性能进行了部分测试。 ［６］ 周文英．高导热绝缘高分子复合材料研究［Ｄ］．西北工 业大学，２００７． 参考文献： ［７］ 周文英，齐署华，李国新，等．导热胶粘剂研究［Ｊ］．材料 导报，２００５，１９（５）：２６—２９． ［１］刘鹿生．叠层功率母线［Ｊ］．电力电子，２００３，１（２）：３９— ［８］ 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