海洋电磁发射机可控源整流电路动态性能优化

摘 "要：海洋电磁发射机在非理想状况工作时母线会产生冲击电压，严重时损坏开关管和滤波电容，为此提出一种混合控制策略。首先，基于dq坐标系的前馈解耦控制策略分析海洋电磁发射机可控源整流电路的动态性能，其次，通过理论证明负载扰动和无功电流iq≠0影响控制系统的动态性能，然后提出在dq电流解耦控制中引入瞬态直接电流思想的改进q轴混合控制方法，在dq电流解耦控制中引入负载电流前馈和无功电流iq≠0环节，改善了d轴电流id的响应速度，提高了控制系统的动态性能。最后，实验结果对比表明，混合控制方法在负载突变、直流侧电压给定值突变和船上柴油发电机电压跌落3种情况下，直流侧电压超调差最小，与最长调整时间相比减少了65%左右。

关键词：海洋电磁发射机；可控源整流电路；动态性能；混合控制；改进q轴；瞬态直接电流

中图分类号：TM461 " " " " " " 文献标志码：A " " " " 文章编号：1007-449X（2024）07-0168-10

Dynamic performance optimization of controllable source rectification circuit for marine electromagnetic transmitter

Tao Haijun1，2， Zhang Chenjie1， Song Jiayao1， Zhao Mengen1， Zhang Guopeng1，2

（1. School of Electrical Engineering and Automation Henan Polytechnic University Jiaozuo 454003 China;2. Henan International Joint Laboratory of Direct Drive and Control of Intelligent Equipment Jiaozuo 454003 China

Abstract： The marine electromagnetic transmitter generates inrush voltage at the bus when operating in nonideal condition， which damages the switching tubes and filtering capacitors in serious cases， for which a hybrid control strategy is proposed. Firstly， the dynamic performance of the controllable source rectifier circuit of marine electromagnetic transmitter is analyzed based on the feedforward decoupling control strategy in dq coordinate system， and secondly， it is proved theoretically that the load perturbation and the reactive current iq ≠ 0 affect the dynamic performance of the control system， and then an improved q-axis hybrid control method is proposed by introducing the idea of transient direct current in the decoupling control of the dq current， and the introduction of the load current feedforward and the reactive current iq≠0 link， which improves the response speed of the d-axis current id and enhances the dynamic performance of the control system. Finally， the comparison of experimental results shows that the hybrid control method minimizes the overshooting difference of the dc-side voltage in three cases， namely， sudden change of load， sudden change of DC-side voltage given value， and voltage dips of the shipboard diesel generator， and reduces about 65% compared with the longest adjustment time.

Keywords： marine electromagnetic transmitter; controlled source rectification circuit; dynamic performance; mixed control; improved q-axis; transient direct current

0 引 言

随着陆地资源开发利用日趋有限、陆地生存环境日益恶化，开发利用海洋资源已成为解决人类社会生产、生存和发展的必然选择。其中，海洋可控源电磁探测方法是海洋资源勘探的有效手段[1-3]。在地质勘探方法中，海洋电磁勘探方法通过各种气体和液体资源、电导率的差异作为依据，观测其电磁场来实现对目标的探测。目前，国产海洋电磁发射机对1000m以内的油气勘探效果较好，但对于更深层资源，还有许多技术问题有待解决。

为了提高海洋电磁发射机输出的电能质量，并满足海洋电磁发射机输入高压输出低压的应用要求，因此海洋电磁发射机可控源整流电路需采用级联H桥多电平结构。级联H桥型拓扑使用耐压值较低的功率开关器件，却达到了较高的电压等级，且其具有模块化、便于维护、易扩展电平数等优点。级联H桥整流器（cascade H-bridge rectifier，CHBR）是大功率海洋电磁发射机的重要组成部分，其工作性能关乎到海洋电磁发射机的开关管和滤波电容的可靠工作。当海洋电磁发射机在负载突变、船上电源电压跌落等非理想状况时，会导致直流侧电压出现较大的超调，严重时会使海洋电磁发射机中开关器件损坏，其还能引起严重的电磁干扰问题，使控制器发生误动作，从而导致装置不能正常运行。因此，深入研究提高海洋电磁发射机可控源整流电路的动态性能，是解决上述问题的有效途径。

针对可控源整流电路（controlled source rectifier circuit，CSRC）动态性能问题，很多国内外学者已经提出了很多相应的控制方法，其主要分为“电流控制”和“功率控制”两部分。其中，“电流控制”主要分两类：“间接电流控制”[4]和“直接电流控制”。“间接电流控制”具有动态响应速度慢的缺点，因其不能广泛应用。 “直接电流控制”因其具有结构简单、动态响应速度快等优点被广泛应用。“直接电流控制”包括：比例谐振（proportional resonance，PR）电流控制[5]、瞬态直接电流控制[6]、滞环电流控制[7]、模型预测电流控制[8]、基于dq坐标系下的前馈电流解耦控制[9]。文献[10]提出一种基于dq坐标系下的前馈电流解耦控制上引入有功电流和无功电流的闭环控制，提高了系统的动态响应速度。文献[11]提出一种dq电流解耦控制下的瞬时电流控制方法，相比于dq电流解耦控制有更好的动态性能。文献[12]提出一种在系统稳态时用负载电流前馈的dq电流解耦控制，在系统瞬态时用i*q≠0变结构控制改进方法，提高了系统的动态性能。文献[13]提出了一种使用模糊控制，综合考虑单位功率因数和母线电压稳定值作为无功电流iq参考值设定的方法，系统稳态时 iq=0 维持单位功率因数运行，系统动态时 iq≠0 加快有功电流 id 和母线电压 Udc 的响应速度。文献[14]由负载扰动时瞬时功率关系，提出一种改进的负载电流前馈控制方法，提高了整流器的动态性能。文献[15]提出一种负载电流前馈比例谐振（PR）控制策略，提高了系统的动态性能和实现了无静差跟踪。文献[16] 提出一种变 iq 负载功率前馈控制方法，该方法减小了直流电容容量且提高了系统的动态性能。

综上所述，目前，有许多的直接电流控制算法应用于可控源整流电路中，很多解决方法都是改进控制器PI或优化前馈控制，从而达到提高控制系统的动态性能。但是直流侧母线电压调节都会受到调制系统饱和影响，实际应用效果不佳。因此，提高系统动态性能的前提是缓解d轴电流变化速度的限制。这就需要对传统的dq坐标系下的前馈解耦控制进行改进。本文以海洋电磁发射机可控源整流电路为研究对象，以提高海洋电磁发射机可控源整流电路的动态性能为目标。首先在dq坐标系下分析了海洋电磁发射机可控源整流电路的动态性能，其次建立两级可控源整流电路数学模型，然后分析在dq坐标系下的前馈解耦控制基础上引入负载电流前馈环节和利用无功电流isq≠0对系统动态性能的影响，进而设计一种dq电流解耦控制上引入瞬态直接电流控制的改进q轴混合控制方法。最后实验结果对比表明，该混合控制有良好的动态性能，验证了所提混合控制方法的有效性。

1 海洋电磁发射机整流电路动态性能分析

1.1 "海洋电磁发射机工作原理及拓扑

海洋电磁发射机电路拓扑结构如图1所示。海洋电磁发射机系统由船上电源、拖缆、水下拖体和发射偶极四部分组成。船上电源专门为水下拖体提供电能，其由柴油发电机、PWM逆变电路、升压变压器、整流滤波电路等组成。拖缆是一种传输电力信号的光电复合缆。水下拖体由发射偶极、可控源电路、发射桥电路等组成。可控源电路输出为直流电压，其由发射桥生成时域或频域信号经过发射偶极向海底发射电磁波。

1.2 可控源整流电路的数学建模与控制

下面以两H桥级联的可控源整流电路为例进行分析，如图2所示。图中Us和is分别为网侧电源电压和网侧电感电流；L为网侧电感；Uo为交流输入电压； R1， R2为各模块直流侧负载；Si1，Si2（i=1，2）为第i个H桥单元的开关器件；Udc1，Udc2为各H桥单元直流侧电压；C1， C2为各H桥电容。

3 实验验证

实验平台参数如表1所示。

为验证本文所提控制方法的有效性，本文搭建了四H桥级联的可控源整流电路小功率实验平台，各H桥单元直流侧电容相等，直流侧负载为电阻，网侧采用L型滤波电感。

图8为四H桥级联的可控源整流电路在混合控制策略下输入侧电压波形，从图可以看出输入侧电压为9电平。

负载在R=15Ω时启动，某时刻负载由15Ω增加至20Ω。从图9（a）可知，系统在dq电流解耦控制策略下，直流侧电压超调量为11.2V左右，在144ms左右才能稳定。从图9（b）可知，系统在负载电流前馈控制策略下，直流侧电压超调量为6V左右，在40ms左右才能稳定。从图9（c）可知，系统在混合控制策略下，直流侧电压超调量几乎没有，也基本没有过渡时间。相比于在dq坐标系下的前馈控制策略和负载电流前馈控制策略，混合控制算法动态性能好。

可控源整流电路在直流侧电压设定值U*dc=435V时启动，在某时刻，直流侧电压设定值由435V突变至500V。由图10（a）可知，系统在dq电流解耦控制策略下，母线电压超调量为25.2V左右，母线电压需要216ms左右时才能稳定，网侧电流在80ms左右稳定。从图10（b）可知，系统在负载电流前馈控制策略下，母线电压超调量为19.6V左右，母线电压在120ms左右时才能稳定，网侧电流在50ms左右稳定。从图10（c）可知，系统在混合控制策略下，母线电压超调量为16.8V左右，母线电压在76ms左右时才能稳定，网侧电流在32ms左右稳定。所以相较于在基于dq坐标系下的前馈解耦控制策略和负载电流前馈控制策略，该混合控制算法具有更加优越的动态性能。

图 11为在船上柴油发电机电压跌落下的实验波形，船上柴油发电机电压源幅值在某时刻由 311V降为 255V。从图11可知，三种控制策略在船上柴油发电机电压跌落后直流侧电压 Udc都有一定的电压超调，网侧电流 is 需要逐步增大用来补偿船上柴油发电机电压突降对直流侧功率产生的影响。图11（a）中在基于dq旋转坐标系下的前馈解耦控制策略下在电网电压跌落后，直流侧电压Udc突变波动为9.8V左右，需要112ms 左右才能稳定，用时较长且直流侧电压具有较大的波动。图11（b）中负载电流前馈控制策略下在电网电压跌落后，直流侧电压Udc突变波动为5.8V左右，需要72ms 左右才能稳定.图11（c）中当采用混合控制策略时，船上柴油发电机电压跌落后，直流侧电压Udc突变波动几乎没有，直流侧电压仅需要 38ms 就能稳定，相比于在dq旋转坐标系下的前馈解耦控制算法，该混合控制算法动态性能好。

综上所述，在dq电流解耦控制、负载电流前馈控制和混合控制在船上柴油发电机电压跌落、负载突变和直流侧电压阶跃三种情况下进行对比分析，实验结果表明在负载突变时，本文控制策略直流侧电压超调差几乎没有，也基本没有过渡时间。在直流侧电压阶跃时，本文控制策略与dq电流解耦控制相比，直流侧电压超调差减少了33.3%，与dq电流解耦控制最长调整时间相比降低了64.8%。在船上柴油发电机电压跌落时，本文控制策略直流侧电压超调差几乎没有电压超调，与dq电流解耦控制最长调整时间相比降低了63.8%。从上面数据可以看出混合控制策略在多种非理想工况下，相比于在dq坐标系下的前馈解耦控制策略和负载电流前馈控制策略下具有更加优良的控制性能，采用本文所提出的方法可有效改善海洋电磁发射机系统中整流电路的动态性能。

4 结 "论

本文海洋电磁发射机可控源整流电路为研究对象，以研究目标为提高海洋电磁发射机系统中整流级动态性能，提出一种在dq电流解耦控制上引入瞬态直接电流思想的改进q轴混合控制方法，可以得到以下结论：

（1）在dq坐标系下的前馈解耦控制中引入负载电流前馈环节，可以将负载的扰动信息通过前馈环节作用于电流给定值，使系统提前做出相应动作，提高了系统的动态性能。

（2）在dq坐标系下的前馈解耦控制中引入无功电流-isq，加快了isd的减小速度，且可以减缓直流母线电压的上升速度，提高控制系统的动态性能。

实验结果表明，本文提出的混合控制方法在多种非理想工况情况下，与在dq电流解耦控制方法相比，本文混合控制方法具有动态响应速度快、鲁棒性强和直流侧电压超调小等优点，满足了海洋电磁发射机在水下长时间工作时对实时工况高响应速度的要求。

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