CN108390571A - 一种中间包电磁加热电源恒温控制方法 - Google Patents

一种中间包电磁加热电源恒温控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中间包电磁加热电源恒温控制方法，针对采用前级三相整流和后级全桥级联结构的中间包电磁加热电源，分别建立三相电流输入和单相电流输出的数学模型，采用功率和电流的双环控制模式，实现单相负载功率和***输入输出电流的闭环控制；同时，为抑制变频负载产生的三相输入谐波电流，在输入电流闭环控制中加入谐波抑制控制器，改善输入侧的电能质量；并在***中加入钢水温度的前馈控制，实现对电磁加热电源输出电流的准确跟踪，实现对钢水的恒温控制，提高钢铁的连铸成材率和生产效率。

Description

一种中间包电磁加热电源恒温控制方法
技术领域
本发明涉及冶金行业中，用于连铸钢材精炼制备用中间包电磁加热电源的控制方法。。
背景技术
在冶金行业中，中间包通道式感应加热与精炼装备是提升我国连铸钢材的品质，降低能源利用率亟需的关键装备，对于我国国民经济的发展意义重大。连铸中间包钢水加热过程是连铸钢材生产过程中的重要环节，该环节的主要问题是控温与精炼。连铸实践表明，低过热度的恒温浇注对稳定操作和改善铸坯质量起着重要的作用，有助于提高钢材的生产品质，然而在许多连铸运行参数中间，钢水温度或过热度是最不可预测的变量之一，如何控制这个变量是连铸技术追求的目标，而目前唯一的手段是用外部热源来调控钢水的温度。同时，随着现代电力电子技术与功率半导体技术的发展，大功率高效率变频电源被逐渐应用到钢材感应加热技术之中，其中感应加热电源作为电能变换装置起着连接三相电网与感应加热器的作用，既要考虑减少对电网的谐波污染，又要保证输出负载电流的低谐波特性。基于全桥级联多电平变换器结构的拓扑因其模块化，低谐波，高冗余等特性而在中高压电源场合得到广泛关注，该结构能实现交-交变频调幅目的，针对连铸钢材制备用中间包电磁加热***，如何快速跟踪输入电流、输出电流以及保证钢水负载恒温加热等问题一直是该拓扑在本领域的研究热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种中间包电磁加热电源恒温控制方法，完成对输入、输出电流的快速跟踪以及保证连铸过程中钢水的恒温加热，保证电磁加热电源的稳定可靠工作。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种中间包电磁加热电源恒温控制方法，包括以下步骤：
1)基于中间包电磁加热电源的基本结构，依据基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律，分别建立前级三相整流电路和后级单相逆变电路的微分方程；
2)离散化上述微分方程，得到离散数学模型；
3)基于上述离散数学模型，对前级三相整流电路采用负载功率前馈和输入电流的闭环控制，并在直流侧电容电压的参考值中叠加由输出所产生的电压纹波，通过比例-积分控制降低直流侧电压控制对输入电流控制的影响，抑制输入电流中的谐波分量，提高电网电流的电能质量；针对后级单相逆变电路，采用负载功率和温度双前馈的控制策略，得到输出电流参考值，通过比例-谐振控制实现输出电流的闭环控制，从而达到对输出电流指令的精确跟踪和保证钢水负载恒温的效果。
所述前级三相整流电路的微分方程表达式如下：
其中，usx和isx分别为前级三相整流电路的三相交流输入电压和三相交流输入电流，L为前级三相整流电路交流输入侧连接电感值，Udc为前级三相整流电路直流侧电容电压，scx为前级三相整流电路三相输入的等效开关函数；sx定义为前级三相整流电路每相桥臂的等效开关函数；x＝a,b,c。
后级单相逆变电路的微分方程表达式如下：
其中，uinv为后级单相逆变电路输出电压，Lo和Ro分别为后级单相逆变电路的输出滤波电感和电阻，uo为负载电压，io为负载电流。
前级三相整流电路的离散数学模型为：
其中，ucx(k)表示前级三相整流电路在k时刻的三相交流输入电压，scx(k)为k时刻三相输入的等效开关函数，usx(k)为k时刻的三相电网电压，和isx(k)分别为k时刻前级三相整流电路输入电流的参考值和实际值；T为采样周期。
后级单相逆变电路的离散数学模型为：
其中，uinv(k)为后级单相逆变电路在k时刻的输出电压，和io(k)分别为k时刻后级单相逆变电路输出逆变电流的参考值和实际值；uo(k)为k时刻的负载电压。
对前级三相整流电路采用负载功率前馈和输入电流的闭环控制方法实现过程包括：
1)根据输出负载功率波动量推导得到前级三相整流电路直流侧电容电压的纹波分量Δu，计算出直流侧功率，根据前级三相整流电路的调制原理，推导出该电压纹波分量Δu会导致前级三相整流电路输入侧产生谐波电流，通过负载功率计算出该电容电压纹波分量Δu：式中，δ为电压纹波的幅值，ωo为输出频率，为电压纹波Δu的初相角。
2)将Δu叠加在直流侧电容电压外环控制***中，实现对电压纹波分量的补偿，并通过比例-积分控制器实现对输入谐波电流的抑制，提高电网侧电能质量。
比例-积分控制器的输出表示为：其中，ePI为电压闭环PI控制器的输出量，kp和ki分别为PI控制器的比例系数和积分系数，为前级三相整流电路直流侧电容电压参考值，udc为前级三相整流电路直流侧实际电容电压。
对后级单相逆变电路，采用负载功率和温度双前馈的控制策略的具体实现过程包括：根据负载功率和功率与电流的关系，得到满足***所需负载功率的输出电流参考值，同时，考虑负载的恒温控制，在该输出电流参考值中叠加温度闭环控制产生的前馈分量，得到最终的输出电流参考值将实际输出电流io与其参考值比较，通过电流的闭环控制实现对输出电流io的精确跟踪，保证负载在恒温工况下运行。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明针对三相PWM整流和单相级联多电平逆变结构的中间包电磁加热电源***，首先建立了三相输入、单相输出的PWM整流电路和单相交-交变频输出的全桥级联多电平逆变电路的数学模型，并以输入、输出电流为研究对象对整流***和逆变***的数学模型进行离散化处理，提出基于负载功率和温度前馈的输入、输出电流闭环控制方法。输入电流闭环控制采用负载功率前馈和输入谐波补偿，负载功率前馈控制实现输入对负载加热所需能量的实时供应，输入谐波补偿控制可补偿负载运行对整流电路三相输入侧产生的谐波电流，降低电网畸变率，兼顾***的稳定运行和改善电能质量；输出电流闭环控制采用负载功率和温度前馈控制，实现对***输出功率的精确跟踪，同时保证连铸钢水的恒温加热，该方法对基于三相PWM整流和单相全桥级联多电平逆变电路结构的中间包电磁加热电源的快速可靠稳定运行具有重要意义。
附图说明
图1是本发明基于三相PWM整流和单相全桥级联多电平逆变结构的中间包电磁加热电源结构图。
图2是本发明一实施例中间包电磁加热电源的整体控制框图。
图3是本发明一实施例中间包电磁加热电源输入电流的控制框图。
图4是本发明一实施例中间包电磁加热电源输出电流的控制框图。
具体实施方式
图1是本发明所基于的三相PWM整流和单相全桥级联多电平逆变结构的中间包电磁加热电源结构图，其中，ucx、isx(x＝a,b,c)分别为三相交流输入电压与电流，L为交流输入侧连接电感，C1和C2为整流侧串联电容，usx为三相交流输入电感前的电压，电网侧与三相PWM整流器之间通过多绕组变压器进行隔离，变压器各绕组间移相30°；uo和io分别为输出负载电压和电流，Ccom为负载补偿电容，后级单相级联多电平逆变电路以全桥子模块为功率单元，共级联6个功率单元模块，采用载波移相调制策略，假设单个子模块电压为uc，则单个子模块可输出-uc,0,uc三种电平，级联***共可输出-13uc～13uc共27种电平。
首先，建立本发明中间包电磁加热电源拓扑结构的数学模型，前级三相PWM整流器的微分方程如下：
式中，usx(x＝a,b,c，下同)和isx分别为整流电路的三相交流输入电压和输入电流，L为交流输入侧连接电感，Udc为直流侧电容电压，scx为整流电路三相输入的等效开关函数，可分别表示为
其中，sx定义为每相桥臂的等效开关函数。
建立后级单相全桥级联多电平逆变器等效数学模型的微分方程为：
式中，uinv为单相逆变电路输出电压，Lo和Ro分别为逆变电路的输出滤波电感和电阻，uo为负载电压。
对中间包电磁加热电源前后级***的微分方程进行离散化处理，前级PWM整流器的微分方程的离散化数学模型表示为：
其中，ucx(k)表示整流电路在k时刻的三相交流输入电压，scx(k)为k时刻三相输入的等效开关函数，usx(k)为k时刻的三相电网电压，和isx(k)分别为k时刻三相整流电路输入电流的参考值和实际值，T为采样周期。
后级单相逆变电路微分方程的离散化数学模型为：
其中，uinv(k)为单相逆变电路在k时刻的输出电压，和io(k)分别为k时刻输出逆变电流的参考值和实际值，uo(k)为k时刻的负载电压，T为采样周期。
图2是本发明一实施例中间包电磁加热电源的整体控制框图。本发明所提出的中间包电磁加热电源控制***主要包括三个控制目标：输入电流、输出电流和输出负载温度，主要实施方法为：
针对前级三相PWM整流器输入电流的闭环控制，采用负载功率前馈和直流侧谐波纹波电压补偿的控制方法，输入电流参考值由负载功率前馈控制和直流侧电容电压闭环控制获得。在图2输入电流控制***中，为负载功率指令值，由功率与电流的关系式Po＝f(is)可得到满足负载功率需求的输入电流指令值的幅值，和udc分别为直流侧电容电压的参考值和实际值，isx为三相整流器输入电流的实际值。
针对后级单相全桥级联多电平逆变器输出电流的闭环控制，采用负载功率前馈和负载温度前馈的控制方法，输出电流参考值由负载功率前馈控制和负载温度闭环控制获得。在图2输出电流控制***中，同样由关系式Po＝f(io)可得到满足负载功率需求的输出电流指令值的幅值，T*和T分别为电磁加热负载的温度参考值和温度采样值，io为电磁加热电源输出电流实际值。
在输出电流闭环控制***中，通过在输出电流指令值中叠加负载温度的前馈输出，实现对负载钢水加热过程的恒温控制，实现连铸钢材生产过程的恒温过热控制，***的恒温控制通过图2中的负载温度前馈控制模块实现。
图3是本发明一实施例中间包电磁加热电源输入电流的控制框图。本发明所提出的中间包电磁加热电源输入电流的控制***主要实现两个控制目标：输入电流的准确跟踪和改善电网侧电能质量，降低输入电流畸变率，具体实施方法为：
首先，根据负载功率与输入电流的关系式Po＝f(is)得到满足负载功率需求的输入电流指令幅值Ip，表达如下：
Ucx(rms)为整流器交流输入电压有效值，为负载功率指令值，该电流幅值Ip作为负载前馈补偿叠加到直流侧电容电压闭环PI控制器输出的指令电流Idc中。
由直流侧电容电压闭环PI控制可得到电流指令值幅值Idc，若不考虑基于直流侧电压纹波计算单元的输入谐波抑制控制，直流侧电压中的电压纹波分量会通过PI控制叠加到输入电流指令中，具体原理分析如下：
设输出电压和电流分别为Uom和Iom为输出电压、电流的幅值，ωo和为输出频率和电流的初相角，则输出功率波动分量为
而输出功率波动主要体现在直流侧电容上，因而，导致电容电压udc产生2ωo频率的纹波电压Δu，因而udc可表示为：udc＝Udc+Δu,Udc为电压直流稳态值，该纹波可表示为
δ和分别为纹波Δu的幅值和初相角，由于Idc经电压PI控制器调节得到，因而Δu会在输入电流参考值中产生谐波分量该输入谐波电流可表示为
ω为电网角频率，kp为电压PI控制器的比例系数。由式(9)可知，含有2ωo±ω频率的谐波电流分量，幅值为(kpδ)/2，增大了电网电流畸变率，不利于电能质量的改善。
为抑制输入电流谐波分量，需在如图3所示的电压闭环控制***中叠加式(8)计算得到的纹波分量Δu，避免因输出产生的电压谐波进入电网电流参考值，基于上述原理分析，输入电流指令的电流幅值Isx可表示为
第二步，结合输入电流指令和实际值isx，将式(4)的三相离散数学模型转化为两相静止αβ坐标系下对输入电流进行控制，则整流器在αβ坐标系下的离散数学模型为
式(11)中，和实际值isα(k)，isβ(k)分别为k时刻在αβ坐标系下的输入电流指令和实际值；usα(k)，usβ(k)和ucα(k)，ucβ(k)分别为k时刻在αβ坐标系下的整流器并网电压和交流输入电压。图3中，PR为比例谐振(Proportional Resonance,PR)控制器，为三相桥臂的调制波，通过载波移相调制分配三相PWM整流器中功率开关器件触发脉冲信号s1～s6。
图4是本发明一实施例中间包电磁加热电源输出电流的控制框图。本发明所提出的中间包电磁加热电源输出电流的控制***主要实现两个控制目标：输出电流的准确跟踪，保证钢水负载的恒温过热控制，具体实施方法为：
设钢水负载阻抗为Zo，则满足负载功率需求的输出电流指令有效值可通过式(12)计算得到。
同时，为保证钢水负载能在恒温过热环境下运行，在中叠加由负载温度闭环PIt控制器的输出信号，则的幅值可由式(13)计算获取。
式(13)中，T*和T分别为负载温度的参考值和实际采样值，kpt和kit为温度前馈PI控制器的比例和积分系数，对输出电流采用PR控制器，实现指令电流的准确跟踪和钢水的恒温控制。

Claims (8)

1.一种中间包电磁加热电源恒温控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)基于中间包电磁加热电源的基本结构，依据基尔霍夫电压定律、基尔霍夫电流定律，分别建立前级三相整流电路和后级单相逆变电路的微分方程；
2)离散化上述微分方程，得到离散数学模型；
3)基于上述离散数学模型，对前级三相整流电路采用负载功率前馈和输入电流的闭环控制，并在直流侧电容电压的参考值中叠加由输出所产生的电压纹波，通过比例-积分控制降低直流侧电压控制对输入电流控制的影响，抑制输入电流中的谐波分量，提高电网电流的电能质量；针对后级单相逆变电路，采用负载功率和温度双前馈的控制策略，得到输出电流参考值，通过比例-谐振控制实现输出电流的闭环控制，从而达到对输出电流指令的精确跟踪和保证钢水负载恒温的效果。
2.根据权利要求1所述的中间包电磁加热电源恒温控制方法，其特征在于，所述前级三相整流电路的微分方程表达式如下：
其中，usx和isx分别为前级三相整流电路的三相交流输入电压和三相交流输入电流，L为前级三相整流电路交流输入侧连接电感值，Udc为前级三相整流电路直流侧电容电压，scx为前级三相整流电路三相输入的等效开关函数；sx定义为前级三相整流电路每相桥臂的等效开关函数；x＝a,b,c。
3.根据权利要求1所述的中间包电磁加热电源恒温控制方法，其特征在于，后级单相逆变电路的微分方程表达式如下：
其中，uinv为后级单相逆变电路输出电压，Lo和Ro分别为后级单相逆变电路的输出滤波电感和电阻，uo为负载电压，io为负载电流。
4.根据权利要求2所述的中间包电磁加热电源恒温控制方法，其特征在于，前级三相整流电路的离散数学模型为：
其中，ucx(k)表示前级三相整流电路在k时刻的三相交流输入电压，scx(k)为k时刻三相输入的等效开关函数，usx(k)为k时刻的三相电网电压，和isx(k)分别为k时刻前级三相整流电路输入电流的参考值和实际值；T为采样周期。
5.根据权利要求3所述的中间包电磁加热电源恒温控制方法，其特征在于，后级单相逆变电路的离散数学模型为：
其中，uinv(k)为后级单相逆变电路在k时刻的输出电压，和io(k)分别为k时刻后级单相逆变电路输出逆变电流的参考值和实际值；uo(k)为k时刻的负载电压。
6.根据权利要求1所述的中间包电磁加热电源恒温控制方法，其特征在于，对前级三相整流电路采用负载功率前馈和输入电流的闭环控制方法实现过程包括：
1)根据输出负载功率波动量推导得到前级三相整流电路直流侧电容电压的纹波分量Δu，计算出直流侧功率，根据前级三相整流电路的调制原理，推导出该电压纹波分量Δu会导致前级三相整流电路输入侧产生谐波电流，通过负载功率计算出该电容电压纹波分量Δu：式中，δ为电压纹波的幅值，ωo为输出频率，为电压纹波Δu的初相角；
2)将Δu叠加在直流侧电容电压外环控制***中，实现对电压纹波分量的补偿，并通过比例-积分控制器实现对输入谐波电流的抑制，提高电网侧电能质量。
7.根据权利要求6所述的中间包电磁加热电源恒温控制方法，其特征在于，比例-积分控制器的输出表示为：其中，ePI为电压闭环PI控制器的输出量，kp和ki分别为PI控制器的比例系数和积分系数，为前级三相整流电路直流侧电容电压参考值，udc为前级三相整流电路直流侧实际电容电压。
8.根据权利要求1所述的中间包电磁加热电源恒温控制方法，其特征在于，对后级单相逆变电路，采用负载功率和温度双前馈的控制策略的具体实现过程包括：根据负载功率和功率与电流的关系，得到满足***所需负载功率的输出电流参考值，同时，考虑负载的恒温控制，在该输出电流参考值中叠加温度闭环控制产生的前馈分量，得到最终的输出电流参考值io *，将实际输出电流io与其参考值io *比较，通过电流的闭环控制实现对输出电流io的精确跟踪，保证负载在恒温工况下运行。
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