摘" 要： 為解決埋地輸油管道阻容性負(fù)載對(duì)恒流源的影響，結(jié)合交流恒流源模型，針對(duì)傳統(tǒng)電壓電流雙閉環(huán)控制在應(yīng)對(duì)阻容性負(fù)載時(shí)，出現(xiàn)的輸出波形失真問(wèn)題展開(kāi)研究，提出一種管道電流測(cè)繪交流恒流源雙環(huán)控制策略。在內(nèi)環(huán)控制方面，采用電感電流瞬時(shí)反饋和負(fù)載電流前饋的PI控制策略；對(duì)于外環(huán)控制，采用負(fù)載電壓反饋的PI控制策略。為進(jìn)一步完善系統(tǒng)性能，運(yùn)用極點(diǎn)配置法對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的控制，并通過(guò)Matlab進(jìn)行頻域特性分析和Simulink仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)優(yōu)化的控制策略能夠有效抑制阻容性負(fù)載條件下的電壓波形畸變，同時(shí)在阻性負(fù)載和阻容性負(fù)載條件下的輸出電流均顯示出良好的正弦性，總諧波失真率分別為2.26%和3.19%，具備良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，可為埋地輸油管道輸油系統(tǒng)的檢測(cè)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 恒流源； 雙環(huán)控制； 管道電流測(cè)繪系統(tǒng)； 埋地輸油管道； 電流前饋； PI控制； 極點(diǎn)配置法

中圖分類號(hào)： TN876?34" " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）20?0065?07

Research on dual?loop control strategy of AC constant current source

for pipeline current mapping

WU Pengyu1， YANG Yong2， REN Xuhu1， YAN Yuqing1， YAN Chenxi1

（1. School of Ocean and Space Information， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China;

2. Technical Testing Center of Sinopec Shengli Oilfield Branch， Dongying 257000， China）

Abstract： In allusion to the problem of output waveform distortion in traditional voltage current dual loop control when dealing with resistive and capacitive loads， a dual?loop control strategy of AC constant current source for pipeline current mapping is proposed by combing with AC constant current sources model to address the impact of resistive and capacitive loads on constant current sources in buried oil pipelines. In terms of inner loop control， a PI control strategy using inductor current instantaneous feedback and load current feed?forward is adopted. In terms of outer loop control， a PI control strategy based on load voltage feedback is adopted. In order to further improve the system performance， the pole configuration method is used to design the controller parameters， so as to realize more accurate control. The frequency domain characteristic analysis and Simulink simulation verification are conducted by Matlab. The results show that the optimized control strategy can effectively suppress voltage waveform distortion under resistive capacitive load conditions， and the output current under both resistive and capacitive load conditions can exhibit good sinusoidal characteristics. The total harmonic distortion rates are 2.26% and 3.19%， respectively， with good dynamic performance and robustness， providing a solid technical foundation for the detection of oil transportation systems in buried oil pipeline.

Keywords： constant current source; dual?loop control; pipeline current mapping system; buried oil pipeline; current feed?forward; PI control; pole configuration method

0" 引" 言

埋地管道是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，作為能源、水資源、化工等行業(yè)的重要輸送通道，直接關(guān)系到人們生活的供水、供氣等基本需求。然而，長(zhǎng)期深埋于地下的管線會(huì)受到土壤等外部因素的腐蝕，導(dǎo)致管線外防腐層腐蝕和破損，進(jìn)而發(fā)生泄漏和安全事故。為解決上述問(wèn)題，多頻管中電流法（Pipeline Current Mapper， PCM）[1?2]以其在埋地輸油管道檢測(cè)[3]領(lǐng)域的非破壞性、高效率和低成本等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。該方法基于電流傳輸原理，通過(guò)交流恒流源在管道上施加交流電流，利用管道本身作為導(dǎo)體形成電流回路，通過(guò)檢測(cè)地下管道的磁場(chǎng)分布來(lái)確定管道的位置和深度，并通過(guò)流過(guò)管道電流的變化趨勢(shì)來(lái)判斷管道的破損或腐蝕情況[4]。

目前，市面上的交流恒流源普遍存在功率小、輸出電流波形質(zhì)量差等問(wèn)題，因此提高交流恒流源輸出功率，增大激勵(lì)電流，可提高管道檢測(cè)范圍。但面對(duì)復(fù)雜多變的土壤環(huán)境或阻容性負(fù)載時(shí)，交流恒流源的激勵(lì)電流并不能達(dá)到額定功率，導(dǎo)致輸出信號(hào)波形質(zhì)量不佳。在控制算法方面，市面上的恒流源系統(tǒng)應(yīng)用最廣泛的控制策略是以電流閉環(huán)反饋為核心的控制策略。文獻(xiàn)[5]提出了PI控制與重復(fù)控制相結(jié)合的雙閉環(huán)控制算法，其內(nèi)環(huán)采用PI算法實(shí)現(xiàn)電流閉環(huán)反饋，同時(shí)將輸出電壓作為外環(huán)控制對(duì)象，利用重復(fù)控制算法實(shí)現(xiàn)外環(huán)控制。文獻(xiàn)[6]利用單相逆變電源的輸出電壓延拓出另外兩相電壓，提出了一種基于三項(xiàng)延拓等效電路與虛擬電路的矢量控制方法。文獻(xiàn)[7]在電流單閉環(huán)控制基礎(chǔ)上，針對(duì)普通PID控制算法參數(shù)固定的缺點(diǎn)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID控制算法相結(jié)合，提出了一種單神經(jīng)元PID控制算法。然而，以上控制算法在面對(duì)阻容性負(fù)載和外部擾動(dòng)時(shí)的適應(yīng)性較差，可能導(dǎo)致系統(tǒng)難以調(diào)節(jié)或失去穩(wěn)定性。同時(shí)，以上控制算法存在計(jì)算復(fù)雜度高、實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)參數(shù)的變化較為敏感，使得在實(shí)際工作中難以維持期望的性能水平[8]。為了提高恒流源對(duì)阻容性負(fù)載和外部擾動(dòng)的適應(yīng)性，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性能，本文對(duì)電流內(nèi)環(huán)電壓和外環(huán)雙閉環(huán)控制方案展開(kāi)研究。電流內(nèi)環(huán)控制常采用電感電流或電容電流作為反饋量，兩者都可能在系統(tǒng)面對(duì)阻容性負(fù)載時(shí)，出現(xiàn)輸出電壓波動(dòng)和過(guò)電流的問(wèn)題，從而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生影響。電壓外環(huán)常使用PR控制來(lái)抑制諧振和提高輸出波形質(zhì)量，但由于其復(fù)雜的參數(shù)整定和對(duì)系統(tǒng)諧振頻率的敏感性，在使用時(shí)還需仔細(xì)權(quán)衡。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種優(yōu)化后的控制方案，其中電流內(nèi)環(huán)采用負(fù)載電流前饋和電感電流反饋的復(fù)合控制算法，而電壓外環(huán)采用負(fù)載電壓反饋的PI控制，確保系統(tǒng)具備高性能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和面對(duì)阻容性負(fù)載的強(qiáng)魯棒性。通過(guò)引入電感電流反饋，實(shí)現(xiàn)了對(duì)恒流源的限流保護(hù)，從而提高了系統(tǒng)的可靠性。其次，采用電壓外環(huán)的PI控制不僅確保了輸出電壓的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，通過(guò)調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的精確控制，還有助于提高恒流源的輸出波形質(zhì)量和電能轉(zhuǎn)換效率[9]。

1" 交流恒流源數(shù)學(xué)模型

交流恒流源[10?11]的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，由全橋逆變電路、LC濾波電路和負(fù)載組成。

圖1中，UDC表示恒流源直流母線電壓，S1～S4表示IGBT開(kāi)關(guān)器件，D1～D4表示續(xù)流二極管，L表示濾波電感，r為濾波電感的等效內(nèi)阻，C表示濾波電容，Uinv表示逆變輸出電壓，UO表示系統(tǒng)輸出電壓，iL表示通過(guò)電感的電流，iC表示通過(guò)電容的電流，iR表示恒流源輸出電流，RL表示負(fù)載阻抗。

忽略濾波電感等效串聯(lián)電阻以及其他阻尼因素的復(fù)合影響，則H橋可以等效為一個(gè)受控交流電壓源Uinv。交流恒流源等效電路如圖2所示。

根據(jù)圖2進(jìn)行電路分析可得：

[dUOdt=1CiL-1CiRdiLdt=1LUinv-1LUO-rLiL] （1）

根據(jù)式（1）可得恒流源的狀態(tài)方程為：

[UOiL=01C-1L-rLUOiL+0-1C1L0UinviR] （2）

假設(shè)將負(fù)載電流擾動(dòng)iR和逆變輸出電壓Uinv定義為系統(tǒng)輸入，負(fù)載電壓UO定義為系統(tǒng)輸出，根據(jù)確定的輸入輸出變量后，可以得出此控制系統(tǒng)的空間狀態(tài)表達(dá)式為：

[x=Aox+Bouy=Cx] （3）

式中：

[u=UinviRT，" x=UOiLT，" y=UO] （4）

[Ao=01C-1L-rL，" Bo=0-1C1L0，" C=10] （5）

[UO=01iLUO] （6）

將負(fù)載電流iR視為外部擾動(dòng)，由式（3）可以列寫(xiě)出從全橋逆變電路輸出電壓Uinv到負(fù)載電壓UO的傳遞函數(shù)為：

[UO（s）=1LCs2+rCs+1Uinv（s）-Ls+rLCs2+rCs+1iR（s）] （7）

結(jié)合式（7）并綜合分析系統(tǒng)在空載時(shí)諧振頻率和阻尼比可知，此控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出欠阻尼的特性。由于電感內(nèi)阻較小，導(dǎo)致在恒流源空載狀態(tài)下，系統(tǒng)近似于一個(gè)二階無(wú)阻尼振蕩系統(tǒng)，這種振蕩極為劇烈，增加了控制的難度，其動(dòng)態(tài)行為完全由恒流源的固有特性決定，使得系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力較差，動(dòng)態(tài)性能較弱。因此，需要采用有效的控制方法來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能并提高其穩(wěn)定性。

2" 恒流源PI雙環(huán)控制策略研究

2.1" 雙環(huán)控制策略分析

恒流源的雙環(huán)控制策略是電力電子系統(tǒng)中至關(guān)重要的控制方法之一，一般由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)兩部分組成，電流內(nèi)環(huán)負(fù)責(zé)追蹤和控制輸出電流，而電壓外環(huán)則負(fù)責(zé)維持輸出在期望值。這種策略通過(guò)精確控制電流和電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源輸出的高效調(diào)節(jié)和穩(wěn)定控制，從而提高恒流源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和適應(yīng)性。

電流內(nèi)環(huán)控制常采用電感電流或電容電流作為反饋量。電感電流反饋具有較快的響應(yīng)速度[12]和相對(duì)穩(wěn)定的特點(diǎn)，適用于對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能要求較高的場(chǎng)景，但是難以實(shí)現(xiàn)對(duì)恒流源的限流保護(hù)，且可能存在較大的穩(wěn)態(tài)誤差。相反，電容電流反饋具有限流保護(hù)能力，能夠更好地應(yīng)對(duì)恒流源的過(guò)載情況。然而，電容電流反饋的響應(yīng)速度較慢，可能導(dǎo)致系統(tǒng)在面對(duì)快速負(fù)載變化時(shí)性能稍顯不足，并在快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能方面不如電感電流反饋。

電壓外環(huán)的核心功能包括穩(wěn)定輸出電壓、抑制電壓波動(dòng)以及適應(yīng)負(fù)載變化等方面，通過(guò)對(duì)輸出電壓的反饋控制恒流源的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，以保持輸出電壓穩(wěn)定在預(yù)期值。選擇輸出電壓作為反饋?zhàn)兞康脑蛟谟冢和ㄟ^(guò)控制輸出電壓，恒流源能夠靈活適應(yīng)不同電力系統(tǒng)的工作需求，提高系統(tǒng)的互操作性[13]，并確保連接設(shè)備得到穩(wěn)定的電源供應(yīng)，避免因電壓波動(dòng)而影響設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。同時(shí)，選擇輸出電壓進(jìn)行控制有助于提高電源的輸出質(zhì)量，減小諧波和電壓波動(dòng)，提高系統(tǒng)的輸出電源質(zhì)量。

為了改善恒流源擾動(dòng)抑制能力較差、動(dòng)態(tài)性能弱的問(wèn)題，電流內(nèi)環(huán)采用負(fù)載電流前饋和電感電流反饋相結(jié)合的控制策略，電壓外環(huán)采用輸出電壓作為反饋?zhàn)兞?，以提高?fù)載變化時(shí)系統(tǒng)的魯棒性，控制框圖如圖3所示。

如圖3所示，GEPI（s）為外環(huán)電壓控制器，GIPI（s）為內(nèi)環(huán)電流控制器，電感L和電容C組成濾波電路，r為濾波電感的等效電阻。首先給定外部的參考電壓值Uref，通過(guò)將參考電壓值與輸出電壓值UO作差，得到誤差信號(hào)。該誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)外環(huán)的PI控制器，把電壓誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為內(nèi)環(huán)控制器的電流給定信號(hào)，給定信號(hào)通過(guò)與負(fù)載電流IO和電感電流IL作差，形成內(nèi)環(huán)誤差信號(hào)。誤差信號(hào)通過(guò)內(nèi)環(huán)PI控制器和恒流源等效比例增益環(huán)節(jié)KPWM計(jì)算，形成載波控制量。將載波控制量與三角載波進(jìn)行比較，產(chǎn)生SPWM開(kāi)關(guān)信號(hào)，用以控制IGBT開(kāi)關(guān)。

2.2" 基于極點(diǎn)配置的控制器參數(shù)整定

由圖3可知，將負(fù)載電流iR視為外部擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

[UOs=GEPIsGIPIsKPWMUrefs-Ls+rIOsLCs2+[GIPIsKPWM+r]Cs+GEPIsGIPIsKPWM+1] （8）

式中，電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)均采用PI控制器，兩者的傳遞函數(shù)為：

[GEPI（s）=K1P+K1Is] （9）

[GIPI（s）=K2P+K2Is] （10）

聯(lián)立式（8）～式（10）可得閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程，即閉環(huán)傳遞函數(shù)的分母：

[D（s）=D4s4+D3s3+D2s2+D1s+D0] （11）

式中：

[D4=LCD3=（K2PKPWM+r）CD2=K2IKPWMC+K1PK2PKPWM+1D1=K1PK2IKPWM+K2PK1IKPWMD0=K1IK2IKPWM] （12）

閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能是評(píng)價(jià)系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)定性和魯棒性等方面的重要指標(biāo)。在自動(dòng)控制原理中，閉環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能主要由閉環(huán)極點(diǎn)的位置決定。閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)是指影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的主要極點(diǎn)，通常是最接近原點(diǎn)的極點(diǎn)，其決定了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性；閉環(huán)非主導(dǎo)極點(diǎn)是除了主導(dǎo)極點(diǎn)以外的其他極點(diǎn)，其對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能影響較小。

具體而言，閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的位置決定了系統(tǒng)的自然頻率和阻尼比，自然頻率決定系統(tǒng)的振蕩頻率，而阻尼比則決定系統(tǒng)的振蕩衰減速度。一般來(lái)說(shuō)，主導(dǎo)極點(diǎn)越靠近原點(diǎn)，系統(tǒng)的自然頻率越高，響應(yīng)速度越快，但同時(shí)可能帶來(lái)更多的振蕩。閉環(huán)非主導(dǎo)極點(diǎn)的位置通常位于主導(dǎo)極點(diǎn)以外，對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較小，但也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性產(chǎn)生一定影響。在實(shí)際控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，通常通過(guò)合理選擇閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)的位置和設(shè)計(jì)合適的控制器參數(shù)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，確保系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和魯棒性。

對(duì)于高階系統(tǒng)而言，其動(dòng)態(tài)特性主要由閉環(huán)主導(dǎo)極點(diǎn)決定[14]。若能夠根據(jù)系統(tǒng)所需的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)確定期望的閉環(huán)系統(tǒng)主導(dǎo)極點(diǎn)[s1，2=-ξω±jω1-ξ2]在s域中的位置，那么閉環(huán)非主導(dǎo)極點(diǎn)可以選擇遠(yuǎn)離主導(dǎo)極點(diǎn)的位置，即[s3=-nξω]和[s4=-mξω]。其中[ξ]和[ω]分別代表期望的阻尼比和自然振蕩頻率；m和n是正整數(shù)，m和n的取值越大，閉環(huán)系統(tǒng)越接近二階系統(tǒng)，其動(dòng)態(tài)性能越由主導(dǎo)極點(diǎn)決定。m和n通常工程上取5～10，從而得到滿足動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的期望閉環(huán)系統(tǒng)特征方程[15]：

[Dr（s）=（s2+2ξωs+ω2）（s+mξω）（s+nξω）=s4+A3s3+A2s2+A1s+A0] （13）

式中：

[A3=（m+n+2）ξωA2=[1+（2m+2n+mn）ξ2]ω2A1=（m+n+2mnξ2）ξω3A0=mnξ2ω4] （14）

通過(guò)比較式（11）～式（14）可得：

[A3=K2PKPWM+rLA2=K2IKPWMC+K1PK2PKPWM+1LCA1=K1PK2IKPWM+K2PK1IKPWMLCA0=K1IK2IKPWMLC] （15）

設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率fs=19.2 kHz，根據(jù)開(kāi)關(guān)頻率和電路各類參數(shù)可計(jì)算出濾波電感L=2 mH，濾波電容C=9.4 μF。根據(jù)自動(dòng)控制原理[16]，其他閉環(huán)零極點(diǎn)的實(shí)部大于主導(dǎo)極點(diǎn)的6倍以上被視為非主導(dǎo)極點(diǎn)，它們對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)的影響可以忽略，即m和n的最小值為6。對(duì)于阻尼比，若取值過(guò)大，則系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能差、調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，故工程上往往取0.5lt;[ξ]lt;1。通常為兼顧系統(tǒng)的阻尼效果和動(dòng)態(tài)性能，一般取0.6lt;[ξ]lt;0.8，本文設(shè)計(jì)選取最佳阻尼比[ξ]=0.707，自然振蕩頻率[ω]=3 500，根據(jù)非主導(dǎo)極點(diǎn)的定義，選取m=9，n=8，KPWM=110，r=0.1 Ω。

化簡(jiǎn)式（15）得：

[K1P=A2LC-K2IKPWMC-1K2PKPWMK2P=A3L-rKPWMK1I=A1LC-K1PK2IKPWMK2PKPWMK2I=A0LCK1IKPWM] （16）

代入上述電路參數(shù)可得式（16）控制器參數(shù)為K1P=0.053 1，K1I=145.386，K2P=0.854，K2I=6348。

2.3" 控制系統(tǒng)頻域特性分析

根據(jù)圖3雙環(huán)控制框圖，可以推導(dǎo)出電感電流內(nèi)環(huán)的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的傳遞函數(shù)為：

[GIOLs=CKPWMK2Ps+K2ILCs2+rCs+1] （17）

[GICLs=K2Ps+K2ICKPWMLCs2+rC+CK2PKPWMs+CK2IKPWM+1] （18）

由電流內(nèi)環(huán)的傳遞函數(shù)可以推導(dǎo)出電壓外環(huán)的傳遞函數(shù)如下：

[GEOPs=1LCs4+rC+CK2PKPWMs3+s2·[K1PK2PKPWMs2+KPWM（K1PK2I+K2PK1I）s+KPWMK1IK2I]] （19）

對(duì)總體控制系統(tǒng)建模后，通過(guò)添加極點(diǎn)配置法計(jì)算出的控制器參數(shù)，可以得到系統(tǒng)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)的幅頻特性曲線，如圖4和圖5所示。

根據(jù)圖4可知，電流內(nèi)環(huán)的相位裕度達(dá)到了81.365°，這反映了系統(tǒng)在頻域上的穩(wěn)定性較高，表明系統(tǒng)對(duì)于外部擾動(dòng)和參數(shù)變化具有很強(qiáng)的抵抗能力，能夠保持良好的穩(wěn)定性，有助于防止系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩或不穩(wěn)定的現(xiàn)象。如圖5所示，電流內(nèi)環(huán)的帶寬較寬，達(dá)到11.233 Hz，同時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)速度較快，這意味著系統(tǒng)對(duì)于輸入信號(hào)的變化能夠迅速做出響應(yīng)，并且能夠在頻域上覆蓋更廣泛的頻率范圍。綜合來(lái)說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)的相位裕度和帶寬以及快速的響應(yīng)速度為系統(tǒng)提供了良好的頻域特性，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)性能，表明控制器的設(shè)計(jì)基本符合預(yù)期。

3" 仿真結(jié)果

根據(jù)前文對(duì)于控制系統(tǒng)的建模和參數(shù)整定，本次實(shí)驗(yàn)采用Matlab/Simulink仿真軟件搭建仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，設(shè)定頻率為128 Hz，輸出電流有效值為7 A的條件下，采用單極性倍頻調(diào)制的方法，分別使用PI單閉環(huán)和PI雙閉環(huán)控制算法對(duì)阻性負(fù)載和阻容性負(fù)載進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。同時(shí)為了增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)于外部擾動(dòng)的魯棒性，對(duì)PI雙閉環(huán)算法的電流內(nèi)環(huán)增加負(fù)載電流前饋，具體參數(shù)如下：直流母線電壓UDC=110 V，開(kāi)關(guān)頻率fs=19.2 kHz，額定頻率為128 Hz，濾波電感L=2 mH，電感等效內(nèi)阻r=0.1 Ω，濾波電容C=9.4 μF，控制器參數(shù)K1P=0.053 1，K1I=145.386，K2P=0.854，K2I=6 348。

3.1" 阻性負(fù)載測(cè)試結(jié)果

仿真總時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為0.5 s，系統(tǒng)帶5 Ω阻性負(fù)載進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。由圖6可知，系統(tǒng)使用兩種不同控制算法帶阻性負(fù)載輸出的電壓波形表現(xiàn)出良好的正弦性，輸出電壓峰值穩(wěn)定50 V左右，頻率為128 Hz，在PI雙閉環(huán)控制算法下總諧波失真率為2.26%，滿足諧波含量標(biāo)準(zhǔn)。

圖7和圖8中虛線代表參考電流，實(shí)線代表輸出電流。由圖7可以看出，使用PI單閉環(huán)控制算法時(shí)，輸出電流和參考電流存在一定的相位差，并在電流峰值處未能跟隨參考電流，存在0.5 V左右的誤差。如圖8所示，使用PI雙閉環(huán)控制算法時(shí)，輸出電流能夠較好地跟蹤參考電流，穩(wěn)態(tài)誤差小，滿足總體設(shè)計(jì)要求。

3.2" 阻容性負(fù)載測(cè)試結(jié)果

仿真總時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為0.5 s，系統(tǒng)帶阻容性負(fù)載進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9～圖11所示。如圖9所示，使用PI單閉環(huán)控制算法在電壓峰值處會(huì)出現(xiàn)周期性畸變，而使用PI雙閉環(huán)控制算法，電壓波形在畸變處較為平滑，輸出波形表現(xiàn)出較好的正弦性，輸出電壓幅值穩(wěn)定在65 V，頻率為128 Hz，總諧波失真率為3.19%。

如圖10所示，使用PI單閉環(huán)控制算法時(shí)，電感電流在波谷處與給定電流幅值存在1.2 A偏差，同時(shí)由于IGBT開(kāi)關(guān)管的非線性特性，在波形過(guò)零點(diǎn)處呈現(xiàn)周期性波形畸變。而采用PI雙閉環(huán)控制算法時(shí)，如圖11所示，電感電流在波谷處能夠較好地跟蹤參考電流，同時(shí)過(guò)零點(diǎn)處的波形較為平滑，畸變減小，波形表現(xiàn)出較好的正弦性。

3.3" 仿真結(jié)果總體分析

仿真結(jié)果表明，采用電壓電流雙閉環(huán)PI控制和負(fù)載電流前饋的控制策略，能夠有效地將電流和電壓的動(dòng)態(tài)特性結(jié)合起來(lái)，使得系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)電流和電壓進(jìn)行雙重反饋控制，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形的精確調(diào)節(jié)，從而提高恒流源的輸出質(zhì)量和穩(wěn)定性。其次，負(fù)載電流前饋在面對(duì)阻容性負(fù)載時(shí)能夠提升系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定性。這種預(yù)先補(bǔ)償?shù)姆绞接兄谙到y(tǒng)更加準(zhǔn)確地控制輸出電流，降低了阻容性負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的干擾，提高了系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變化的適應(yīng)能力和穩(wěn)定性。

4" 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述交流恒流源控制策略的可行性，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下利用實(shí)驗(yàn)室器材模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在理想環(huán)境下，管道與大地可以等效為電阻和電容的串聯(lián)，因此在實(shí)驗(yàn)中分別使用阻性和阻容性負(fù)載模擬管道負(fù)載，輸出電流頻率為128 Hz，設(shè)定輸出電流有效值為7 A。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括交流恒流源系統(tǒng)、示波器、電流鉗、負(fù)載電阻與負(fù)載電容等，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，電壓探頭設(shè)置為1∶500，由于負(fù)載是5 Ω，1 A對(duì)應(yīng)的電壓值為0.01 V，在示波器中設(shè)置放大100倍，即1 A對(duì)應(yīng)示波器顯示的電壓1 V。電流鉗設(shè)置為10 mV/A，在示波器中設(shè)置比例為1∶1。

圖12和圖13展示的是系統(tǒng)分別帶阻性負(fù)載和阻容性負(fù)載時(shí)輸出電流和輸出電壓的波形，UO波形代表輸出電壓，iR波形代表輸出電流。從圖12和圖13中可以看出，輸出電壓波形穩(wěn)定，峰值分別穩(wěn)定在9.8 V和10 V，輸出電流有效值均在6.8 A左右，波峰和波谷之間沒(méi)有明顯的波動(dòng)，過(guò)零點(diǎn)處波形較為平滑，形狀接近理想的正弦波形，符合設(shè)計(jì)需求。輸出波形的頻率準(zhǔn)確，穩(wěn)定在128 Hz，并且在不同負(fù)載條件下頻率保持穩(wěn)定，沒(méi)有出現(xiàn)頻率漂移或波動(dòng)。

5" 結(jié)" 論

本文基于交流恒流源的數(shù)學(xué)模型，采用瞬時(shí)電壓外環(huán)和電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI控制，結(jié)合負(fù)載電流擾動(dòng)前饋補(bǔ)償，對(duì)交流恒流源的雙環(huán)控制進(jìn)行改進(jìn)策略的參數(shù)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)穩(wěn)定性分析。通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)恒流源控制模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，改進(jìn)后的雙環(huán)控制策略在阻容性負(fù)載條件下輸出電壓波形良好，滿足了諧波畸變率和電壓幅值的要求。采用極點(diǎn)配置的方式對(duì)PI控制器的參數(shù)整定簡(jiǎn)單快捷，極大地減少了試湊法所需的時(shí)間，提高了整定的準(zhǔn)確性。此外，帶負(fù)載電流前饋的雙環(huán)PI控制方式有效減少了電壓諧波分量，具有良好的動(dòng)態(tài)性能和魯棒性，同時(shí)可以充分利用PI雙環(huán)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力的高精度優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到良好的控制效果。

注：本文通訊作者為任旭虎。

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作者簡(jiǎn)介：吳鵬宇（2000—），男，山東東營(yíng)人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)槁竦毓艿罒o(wú)損檢測(cè)。

任旭虎（1973—），男，山西運(yùn)城人，碩士研究生，副教授，主要研究方向?yàn)橹悄軠y(cè)控技術(shù)、智能信息處理。

DOI：10.16652/j.issn.1004?373x.2024.20.011

引用格式：吳鵬宇，楊勇，任旭虎，等.管道電流測(cè)繪交流恒流源雙環(huán)控制策略研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2024，47（20）：65?71.

收稿日期：2024?04?30" " " " " "修回日期：2024?06?03

基金項(xiàng)目：穿越管道強(qiáng)電流探測(cè)設(shè)備（YKF2305）