高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)及方法，該控制系統(tǒng)包括模擬量采集電路、調(diào)理電路、主控制器、干擾觀測器以及IGBT驅(qū)動(dòng)電路。本發(fā)明在傳統(tǒng)控制方法基礎(chǔ)上，加入了干擾觀測器，當(dāng)有擾動(dòng)輸入時(shí)，通過干擾觀測器得到等效干擾，在控制中引入等效的補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)干擾的完全抑制。
【專利說明】
高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)及方法，屬于高壓高 頻大功率電源技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 電除塵器由于具有除塵效率高、處理煙氣量大、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、無二次污染等優(yōu) 點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力、冶金、建材等工業(yè)領(lǐng)域的煙塵治理。
[0003] 隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展，國家對污染控制水平和要求不斷提高，對煙塵排放的控制日 益嚴(yán)格。這意味著電除塵技術(shù)的發(fā)展將面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。電除塵器是典型的機(jī)電一體化設(shè) 備，由機(jī)械本體和電氣控制兩部分構(gòu)成。通常可以通過增加收塵面積、調(diào)節(jié)電場間隔、改進(jìn) 電極外形、末級移動(dòng)極板或者優(yōu)化氣/粉塵分布的方法來提高收塵效率。但通過升級高壓電 源和控制策略的方法來實(shí)現(xiàn)性價(jià)比最高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提出一種靜電除塵電源抗干擾控制 系統(tǒng)及方法，能夠在電廠等環(huán)境復(fù)雜、干擾較大的條件下，提高電源工作效率和抗干擾能 力。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明提出一種高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)，包括模 擬量采集電路、調(diào)理電路、主控制器、干擾觀測器以及IGBT驅(qū)動(dòng)電路，所述模擬量采集電路 用于采樣除塵器輸出的電壓和電流模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送給調(diào)理電路； 所述調(diào)理電路用于對接收的電壓和電流數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)理，并將調(diào)理后的信號傳送給主控 制器;所述主控制器根據(jù)接收的調(diào)理后信號輸出控制信號，并將控制信號傳送給IGBT驅(qū)動(dòng) 電路;所述干擾觀測器在有擾動(dòng)時(shí)，對主控制器輸出的控制信號進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對干擾的完 全抑制;所述IGBT驅(qū)動(dòng)電路用于根據(jù)接收的控制信號進(jìn)行開通和斷開，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和 電流幅值、頻率、波形的控制。
[0006] 本發(fā)明還提出一種高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制方法，包括如下步驟：
[0007] (1)模擬量采集電路采集除塵器的輸出電壓和電流，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳送 給調(diào)理電路；
[0008] (2)調(diào)理電路對電壓和電流數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)理后，傳送給主控制器；
[0009] (3)當(dāng)有擾動(dòng)輸入時(shí)，主控制器輸出的控制信號疊加外界擾動(dòng)后輸送至干擾觀測 器，干擾觀測器將該信號與原主控制器輸出的控制信號經(jīng)過低通濾波后做差，得到等效干 擾，再將等效干擾反饋給主控制器的輸出端，完成干擾抑制；
[0010] (4)完成干擾抑制后，主控制器輸出控制信號，并將控制信號傳送給IGBT驅(qū)動(dòng)電 路；
[0011] (5)IGBT驅(qū)動(dòng)電路通過其開通和斷開，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和電流幅值、頻率、波形的 控制。
[0012] 有益效果：高壓靜電除塵電源一般應(yīng)用在電廠、鋼廠、采沙場等較為惡劣的環(huán)境 中，外界干擾大，對設(shè)備的抗干擾能力要求較高，無附加干擾觀測器的除塵電源控制系統(tǒng)控 制精度有限，無法取得非常理想的除塵效果，通過改進(jìn)環(huán)境或設(shè)備結(jié)構(gòu)的方法周期較長、成 本較高，本發(fā)明只需在控制系統(tǒng)中附加干擾觀測器，易于實(shí)現(xiàn)、成本較低，能夠有效提高除 塵效率。
【附圖說明】
[0013] 圖1為高壓高頻脈沖電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014] 圖2為高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖3為干擾觀測器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而 不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等同變 換均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0017] 如圖1所示，高壓高頻脈沖電源系統(tǒng)由三相整流橋、高頻逆變電路、開關(guān)整流變壓 器和控制系統(tǒng)4個(gè)部分組成。該系統(tǒng)是整個(gè)電源系統(tǒng)的核心，以高頻開關(guān)逆變整流技術(shù)為基 礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)AC-DC-AC-DC的電源變換過程，為電除塵器正常運(yùn)行提供所需的高壓電源。其工作 過程:三相380V工頻交流電源經(jīng)可控整流濾波后輸出穩(wěn)定的直流電壓，供給MMC高頻逆變電 路，MMC根據(jù)電除塵器工況變化輸出頻率、幅度、寬度、靈活可變的交流脈沖，經(jīng)變壓器升壓 整流后，輸出高壓直流脈沖電壓供給電除塵器電場。高壓高頻脈沖電源系統(tǒng)參數(shù)為：
[0018] 額定輸出直流電壓:60kV、72kV、80kV;
[0019] 額定輸出直流電流：400mA、600mA、1000mA、1200mA、1400mA、1600mA、1800mA、 2000mA、2400mA;
[0020]通訊接口： RS-485/CAN/以太網(wǎng)；
[0021] 輸入電源：三相AC 380V±10%，50Hz±2.0Hz;
[0022] 使用環(huán)境溫度:控制柜周圍環(huán)境溫度為-5°C~+40°C，整流變壓器周圍環(huán)境溫度不 高于+40°C，不低于變壓器油規(guī)定的凝點(diǎn)溫度。
[0023] 如圖2所示，高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)包括模擬量采集電路、調(diào) 理電路、主控制器、干擾觀測器以及IGBT驅(qū)動(dòng)電路。所述模擬量采集電路采樣除塵器輸出的 電壓和電流模擬信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再經(jīng)調(diào)理電路調(diào)理后發(fā)送給主控制器;主控制 器輸出控制信號至IGBT驅(qū)動(dòng)電路，通過控制IGBT的開通和關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和電流幅 值、頻率、波形的控制。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生干擾時(shí)，會(huì)影響主控制器輸出的控制信號，降低控制 精度。因此，本發(fā)明加入了干擾觀測器，當(dāng)有擾動(dòng)輸入時(shí)，通過干擾觀測器得到等效干擾，對 主控制器輸出信號進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)干擾的完全抑制。
[0024] 上述高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)的控制方法，包括如下步驟：
[0025] (1)模擬量采集電路采集除塵器的輸出電壓和電流，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳送 給調(diào)理電路；
[0026] (2)調(diào)理電路對電壓和電流數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)理后，傳送給主控制器；
[0027] (3)當(dāng)有擾動(dòng)輸入時(shí)，主控制器輸出的控制信號疊加外界擾動(dòng)后輸送至干擾觀測 器，干擾觀測器將該信號與原主控制器輸出的控制信號經(jīng)過低通濾波后做差，得到等效干 擾，再將等效干擾反饋至主控制器的輸出端，完成干擾抑制；
[0028] (4)完成干擾抑制后，主控制器輸出控制信號，并將控制信號傳送給IGBT驅(qū)動(dòng)電 路；
[0029] (5)IGBT驅(qū)動(dòng)電路通過其開通和斷開，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和電流幅值、頻率、波形的 控制。
[0030]以下對本發(fā)明的抗干擾控制做詳細(xì)描述。如圖3所示的干擾觀測器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖，Uc(s)是主控制器輸出的控制信號，U(s)是干擾觀測器輸入，Y(s)是系統(tǒng)輸出，D(s)是干 擾，Z)(s；|是等效干擾，GP(s)是受控對象實(shí)際模型，Gn(s)是受控對象標(biāo)稱模型，Q(s)是低通 濾波器?？梢郧蟪龅刃Ц蓴_為
[0031 ] D(s) a [(J(s) + D(s)]G(s)Q(s) - U： (s)Q(s) (.1)
[0032]將等效干擾反饋至主控制器的輸出端，即可實(shí)現(xiàn)干擾的準(zhǔn)確補(bǔ)償，這是本發(fā)明的 基本思想。根據(jù)圖3所示的干擾觀測器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，利用梅森公式可以進(jìn)一步得到系統(tǒng) 輸出Y(s)的傳遞函數(shù)為
[0036] 由式(5)、（6)可知，如果 UraG(./?) = 1 '那么[0037] 丨imG',,, (./?) = 〇,, (./?) (5) (3) (4)
[0038] limG,., (./(?) = 〇 的
[0039] 即，外部擾動(dòng)可以得到完全抑制，且被控對象近似為標(biāo)稱模型。
[0040] Q(s)設(shè)計(jì)原則如下：
[0041] (l)Q(s)的相對階數(shù)應(yīng)不少于標(biāo)稱模型6"(8)，以確保控制系統(tǒng)合理。
[0042] (2)在低頻域，Q(s)應(yīng)接近1，以保證集總擾動(dòng)估計(jì)值近似等于實(shí)際值，減弱外界干 擾的影響。
[0046]式中，zr-^是零點(diǎn)，pr-p^極點(diǎn)，1是零極點(diǎn)重?cái)?shù)，ak、bk是常數(shù)，t是時(shí)間常數(shù)，k
[0043]對于式(7)所示的被控對象，Q(s)可設(shè)計(jì)為式(8)的形式： (7) (8) ㈨） 是濾波器階數(shù)，L、N均為常數(shù)且滿足L彡1-1 (L彡0)，N-L彡1+m-n。[0047]以最小相位系統(tǒng)為例，如式(9)、式(10)所示：
(10)
[0050] 基于以上設(shè)計(jì)原則，濾波器Q(s)可以選擇一階低通形式，穩(wěn)態(tài)增益為1，如式（11) 所示：
(11)
[0052]其中，參數(shù)A = bf影響干擾估計(jì)精度。實(shí)際上，精確的干擾估計(jì)取決于頻率特性傳 遞函數(shù)1-Q(s)，而參數(shù)A越小，則1-Q(s)的幅值越小，因此選擇一個(gè)相對較小的A，干擾估計(jì) 誤差收斂區(qū)域也會(huì)小的多。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)，其特征在于，包括模擬量采集電路、調(diào) 理電路、主控制器、干擾觀測器以及IGBT驅(qū)動(dòng)電路，所述模擬量采集電路用于采樣除塵器輸 出的電壓和電流模擬信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳送給調(diào)理電路;所述調(diào)理電路用于 對接收的電壓和電流數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)理，并將調(diào)理后的信號傳送給主控制器;所述主控制 器根據(jù)接收的調(diào)理后信號輸出控制信號，并將控制信號傳送給IGBT驅(qū)動(dòng)電路;所述干擾觀 測器在有擾動(dòng)時(shí)，對主控制器輸出的控制信號進(jìn)行補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對干擾的完全抑制;所述IGBT 驅(qū)動(dòng)電路用于根據(jù)接收的控制信號進(jìn)行開通和斷開，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和電流幅值、頻率、波 形的控制。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述干擾觀測器包括低通濾波器，主控制器輸出的控制信號疊加外界擾動(dòng)后輸送至干擾觀測 器，干擾觀測器將該信號與原主控制器輸出的控制信號經(jīng)過低通濾波后做差，得到等效干 擾，再將等效干擾反饋給主控制器的輸出端，完成干擾抑制。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)，其特征在于，經(jīng) 過補(bǔ)償?shù)妮敵鯵(s)表示為： Y(s) =Guy(s)Uc(s)+Gdy(s)D(s) 其中，式中，Uc(s)是主控制器輸出的控制信號，U(s)是干擾觀測器輸入，Y(s)是系統(tǒng)輸出，Guy (S)是Uc(s)至Y(s)之間的前向通道傳遞函數(shù)，Gdy(s)是D(s)至Y(s)之間的前向通道傳遞函 數(shù)，D(s)是干擾，β(.ν)是等效干擾，GP(s)是受控對象實(shí)際模型，G n(s)是受控對象標(biāo)稱模型， Q(s)是低通濾波器。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)，其特征在于，所 述低通濾波器Q(s)的設(shè)計(jì)原則為： (1) Q(s)的相對階數(shù)應(yīng)不少于標(biāo)稱模型6"(8)，以確?？刂葡到y(tǒng)合理。 (2) 在低頻域，Q(s)應(yīng)接近1，以保證集總擾動(dòng)估計(jì)值近似等于實(shí)際值，減弱外界干擾的 影響。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng) 被控對象表示為：貝iJ，Q(s)設(shè)計(jì)為：式中，ζι···ζη是零點(diǎn)，ρι···ριη是極點(diǎn)，1是零極點(diǎn)重?cái)?shù)，ak、bk是常數(shù)，τ是時(shí)間常數(shù)，k是濾 波器階數(shù)，L、N均為常數(shù)且滿足L彡1-1，L彡0，N-L彡1+m-n。6. 高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制方法，其特征在于，包括如下步驟： (1) 模擬量采集電路采集除塵器的輸出電壓和電流，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后傳送給調(diào) 理電路； (2) 調(diào)理電路對電壓和電流數(shù)字信號進(jìn)行調(diào)理后，傳送給主控制器； (3) 當(dāng)有擾動(dòng)輸入時(shí)，主控制器輸出的控制信號疊加外界擾動(dòng)后輸送至干擾觀測器，干 擾觀測器將該信號與原主控制器輸出的控制信號經(jīng)過低通濾波后做差，得到等效干擾，再 將等效干擾反饋給主控制器的輸出端，完成干擾抑制； (4) 完成干擾抑制后，主控制器輸出控制信號，并將控制信號傳送給IGBT驅(qū)動(dòng)電路； (5) IGBT驅(qū)動(dòng)電路通過其開通和斷開，實(shí)現(xiàn)對輸出電壓和電流幅值、頻率、波形的控制。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制方法，其特征在于，經(jīng) 過補(bǔ)償?shù)妮敵鯵(s)表示為： Y(s) =Guy(s)Uc(s)+Gdy(s)D(s) 其中，式中，Uc(s)是主控制器輸出的控制信號，U(s)是干擾觀測器輸入，Y(s)是系統(tǒng)輸出，Guy (S)是Uc(s)至Y(s)之間的前向通道傳遞函數(shù)，Gdy(s)是D(s)至Y(s)之間的前向通道傳遞函 數(shù)，D(s)是干擾，是等效干擾，GP(s)是受控對象實(shí)際模型，Gn(s)是受控對象標(biāo)稱模型， Q(s)是低通濾波器。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制方法，其特征在于，所 述低通濾波器Q(s)的設(shè)計(jì)原則為： (1) Q(s)的相對階數(shù)應(yīng)不少于標(biāo)稱模型6"(8)，以確?？刂葡到y(tǒng)合理。 (2) 在低頻域，Q(s)應(yīng)接近1，以保證集總擾動(dòng)估計(jì)值近似等于實(shí)際值，減弱外界干擾的 影響。9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的高壓高頻脈沖靜電除塵電源抗干擾控制系統(tǒng)，其特征在于，當(dāng) 被控對象表示為： 貝U，Q(s)設(shè)計(jì)為：式中，zi+ 211是零點(diǎn)，pi…口!!!是極點(diǎn)，1是零極點(diǎn)重?cái)?shù)，ak、bk是常數(shù)，τ是時(shí)間常數(shù)，k是濾 波器階數(shù)，UN均為常數(shù)且滿足L彡1-1，L彡0，N-L彡1+m-n。
【文檔編號】H02M3/335GK105958834SQ201610486349
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】尤鋆, 廖延濤, 金龍, 楊俊
【申請人】南京比恩機(jī)電科技有限公司, 東南大學(xué)