В этом примере показано, как использовать блок автоматической настройки PID с замкнутым контуром для настройки напряжения линии постоянного тока, тока оси DQ и нейтрального напряжения для корректора коэффициента мощности на базе выпрямителя в Вене.
В этом примере используется схема коррекции коэффициента мощности, описанная в Vienna Rectifier Control (Simscape Electrical). Предвертеры коррекции коэффициента мощности корректируют коэффициент мощности нагрузок, что повышает энергоэффективность распределительной системы. Эта коррекция полезна, когда нелинейные импедансы, такие как источники питания в переключаемом режиме, подключены к сети переменного тока.
Эта модель использует Венский выпрямитель и источник питания переключенного способа, чтобы преобразовать трехфазовый 120-вольтовый источник питания переменного тока отрегулированной 400-вольтовой поставке DC. Для обеспечения правильного представления сопротивлений устройства полупроводниковые компоненты моделируются с использованием МОП-транзисторов, а не идеальных переключателей. Моделирование модели конфигурируется для запуска в режиме ускорителя с использованием решателя секционирования.
open_system('PWM_Rectifier_Vienna_SC')
В этом примере контроллер DQ-оси для венского выпрямителя моделируется, как показано на следующей диаграмме.
При управлении по DQ-оси зависящие от времени трехфазные токи преобразуются в инвариантный по времени двухкоординатный вектор с использованием проекций. Эти преобразования являются трансформацией Кларка, трансформацией парка и их соответствующими обратными преобразованиями. Эти преобразования реализуются как блоки в подсистеме измерений. Для поддержания коэффициента мощности близким к 1 реактивная мощность, отбираемая из сети, должна быть близка к нулю. Поэтому команда нулевого тока по оси Q от контроллера позволяет коэффициент мощности быть близким к 1.
В модели контроллеры имеют следующие коэффициенты усиления:
Контроллер PI напряжения линии постоянного тока: P = 2 и I = 20
Оба контроллера тока PI по оси DQ: P = 5 и I = 500
Регулятор P нейтрального напряжения: P = 0,001
Выигрыши контроллера сохраняются в блоке памяти хранилища данных и предоставляются извне каждому блоку PID. Когда процесс настройки контроллера завершен, новые настроенные коэффициенты усиления записываются в блок памяти хранилища данных. Эта конфигурация позволяет в режиме реального времени обновлять выигрыш контроллера во время моделирования.
В этом примере перенастройка этих контроллеров выполняется с помощью блоков автозапуска PID с замкнутым контуром.
Блок Autotuner PID с замкнутым контуром позволяет настраивать один контроллер PID одновременно. Он вводит синусоидальные сигналы возмущения на вход установки и измеряет результирующий выход установки во время эксперимента с замкнутым контуром. Когда эксперимент прекращается, блок вычисляет коэффициенты усиления PID на основе частотных характеристик установки, оцененных в небольшом количестве точек вблизи требуемой полосы пропускания. Для этой модели выпрямителя в Вене для каждого из контроллеров может использоваться блок автомата PID с замкнутым контуром, как показано для контура напряжения линии постоянного тока ниже.
Этот рабочий процесс применяется при наличии исходных контроллеров, которые необходимо повторно запустить с помощью блока автоматического запуска PID с замкнутым контуром. Преимущества этого подхода заключаются в следующем:
Если во время эксперимента происходит непредвиденное нарушение, он отклоняется существующим контроллером для обеспечения безопасной работы.
Существующий контроллер поддерживает работу установки вблизи номинальной рабочей точки, подавляя сигналы возмущения.
При использовании блока Autotuner PID с замкнутым контуром как для моделирования, так и для приложений реального времени:
Растение должно быть либо асимптотически устойчивым (все полюса строго стабильны), либо интегрирующим. Блок автотюнера не работает с нестабильной установкой.
Контур обратной связи с существующим контроллером должен быть стабильным.
Для более точной оценки частотных характеристик установки в реальном времени минимизируйте возникновение любого нарушения в венской модели выпрямителя во время эксперимента. Блок автотюнера ожидает, что выходной сигнал установки будет ответом только на вводимые сигналы возмущения.
Поскольку контур обратной связи замкнут во время эксперимента, существующий контроллер также подавляет вводимые сигналы возмущений, что снижает точность оценки частотной характеристики, когда целевая полоса пропускания находится далеко от текущей полосы пропускания.
Поскольку блок автозапуска PID с замкнутым контуром настраивает только один контроллер PID за один раз, четыре контроллера должны быть настроены отдельно в модели. Поэтому сначала настраиваются внутренние контроллеры тока, затем контроллер напряжения линии постоянного тока, а затем контроллер нейтрального напряжения.
Во время моделирования модели:
Контроллер тока по оси D настроен в диапазоне от 0,65 до 0,75 с.
Контроллер тока по оси Q настроен в диапазоне от 0,8 до 0,9 с.
Контроллер напряжения линии постоянного тока настраивается между 0,95 и 1,45 с.
Регулятор нейтрального напряжения настроен в диапазоне от 1,7 до 1,72 с.
После настройки каждого из контроллеров усиления контроллера обновляются через блок памяти хранилища данных.
После соединения блоков автоотюнера PID с замкнутым контуром с заводом и блоками PID сконфигурируйте настройки и эксперименты для каждого из них. На вкладке Настройка имеются два основных параметра настройки:
Целевая полоса пропускания - определяет скорость ответа контроллера. В этом примере выберите 3000 рад/с для управления током, 400 рад/с для управления напряжением линии постоянного тока и 20000 рад/с для управления нейтральным напряжением.
Целевое поле фазы - определяет, насколько надежным должен быть контроллер. В этом примере выберите 60 градусов для всех контроллеров.
На вкладке Эксперимент (Experiment) имеются три основные настройки эксперимента:
Тип растения - указывает, является ли растение асимптотически стабильным или интегрированным. В этом примере модель венского выпрямителя стабильна.
Знак растения - указывает, имеет ли растение положительный или отрицательный знак. Знак установки является положительным, если положительное изменение входного сигнала установки в номинальной рабочей точке приводит к положительному изменению выходного сигнала установки, когда установка достигает нового устойчивого состояния. В противном случае знак растения отрицательный. Если растение стабильно, знак растения эквивалентен знаку усиления постоянного тока. Если установка интегрируется, знак установки является положительным (или отрицательным), если производительность установки продолжает увеличиваться (или уменьшаться). В этом примере венская выпрямительная модель имеет положительный знак установки.
Синусоидальные амплитуды (Sine Amplitudes) - определяет амплитуды введенных синусоидальных волн. В этом примере для обеспечения правильного возбуждения завода в пределах предела насыщения выберите 0.6 для контроллера D-оси, 0.19 для контроллера оси Q, 1 для контроллера напряжения линии постоянного тока, и 0.01 для контроллера нейтрали напряжения. Если амплитуда возбуждения либо слишком велика, либо слишком мала, это даст неточные результаты оценки частотной характеристики для этих экспериментов.
В этом примере модель выпрямителя Vienna выполняется в режиме ускорителя, и все четыре контроллера настроены на одно моделирование. Моделирование модели обычно занимает несколько минут из-за малого времени выборки контроллера силовой электроники.
Чтобы настроить контроллеры, смоделируйте модель.
sim('PWM_Rectifier_Vienna_SC')
ans =
Simulink.SimulationOutput:
logsout: [1x1 Simulink.SimulationData.Dataset]
tout: [4000001x1 double]
SimulationMetadata: [1x1 Simulink.SimulationMetadata]
ErrorMessage: [0x0 char]
На графике ниже показан профиль напряжения линии постоянного тока во время настройки контроллера тока и напряжения от 0,65 до 1,45 секунды. Он также показывает введение несбалансированной нагрузки на 1,5 секунды и последующую настройку контроллера нейтрали напряжения на 1,7 секунды.
open_system('PWM_Rectifier_Vienna_SC/Scopes/Scope')
Четыре контроллера настроены на новые коэффициенты усиления.
Контроллер PI напряжения линии постоянного тока: P = 0,7386 и I = 135,6
Регуляторы тока PI по оси D: P = 8.407 и I = 1127
Регуляторы тока PI по оси Q: P = 11,91 и I = 3706
Регулятор P нейтрального напряжения: P = 6,628
График ниже показывает отклик напряжения линии постоянного тока по сравнению с эталоном до и после настройки контроллеров. Исходный контроллер (красный) не может поддерживать напряжение линии постоянного тока после введения несбалансированных нагрузок на уровне 0,7 и 1,1 секунды. С другой стороны, автоматический контроллер уменьшает время нарастания при минимальном превышении и хорошем времени отстоя до установившегося значения.
Автоматический запуск PID с замкнутым контуром