高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统及方法，该控制系统包括模拟量采集电路、调理电路、主控制器、干扰观测器以及IGBT驱动电路。本发明在传统控制方法基础上，加入了干扰观测器，当有扰动输入时，通过干扰观测器得到等效干扰，在控制中引入等效的补偿，实现干扰的完全抑制。
【专利说明】
高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统及方法，属于高压高 频大功率电源技术领域。
【背景技术】
[0002] 电除尘器由于具有除尘效率高、处理烟气量大、运行维护费用低、无二次污染等优 点，被广泛应用于电力、冶金、建材等工业领域的烟尘治理。
[0003] 随着国民经济发展，国家对污染控制水平和要求不断提高，对烟尘排放的控制日 益严格。这意味着电除尘技术的发展将面临严峻的挑战。电除尘器是典型的机电一体化设 备，由机械本体和电气控制两部分构成。通常可以通过增加收尘面积、调节电场间隔、改进 电极外形、末级移动极板或者优化气/粉尘分布的方法来提高收尘效率。但通过升级高压电 源和控制策略的方法来实现性价比最高。
【发明内容】
[0004] 发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提出一种静电除尘电源抗干扰控制 系统及方法，能够在电厂等环境复杂、干扰较大的条件下，提高电源工作效率和抗干扰能 力。
[0005] 技术方案:本发明提出一种高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统，包括模 拟量采集电路、调理电路、主控制器、干扰观测器以及IGBT驱动电路，所述模拟量采集电路 用于采样除尘器输出的电压和电流模拟信号，并将其转换为数字信号后传送给调理电路； 所述调理电路用于对接收的电压和电流数字信号进行调理，并将调理后的信号传送给主控 制器;所述主控制器根据接收的调理后信号输出控制信号，并将控制信号传送给IGBT驱动 电路;所述干扰观测器在有扰动时，对主控制器输出的控制信号进行补偿，实现对干扰的完 全抑制;所述IGBT驱动电路用于根据接收的控制信号进行开通和断开，实现对输出电压和 电流幅值、频率、波形的控制。
[0006] 本发明还提出一种高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制方法，包括如下步骤：
[0007] (1)模拟量采集电路采集除尘器的输出电压和电流，将其转化为数字信号后传送 给调理电路；
[0008] (2)调理电路对电压和电流数字信号进行调理后，传送给主控制器；
[0009] (3)当有扰动输入时，主控制器输出的控制信号叠加外界扰动后输送至干扰观测 器，干扰观测器将该信号与原主控制器输出的控制信号经过低通滤波后做差，得到等效干 扰，再将等效干扰反馈给主控制器的输出端，完成干扰抑制；
[0010] (4)完成干扰抑制后，主控制器输出控制信号，并将控制信号传送给IGBT驱动电 路；
[0011] (5)IGBT驱动电路通过其开通和断开，实现对输出电压和电流幅值、频率、波形的 控制。
[0012] 有益效果：高压静电除尘电源一般应用在电厂、钢厂、采沙场等较为恶劣的环境 中，外界干扰大，对设备的抗干扰能力要求较高，无附加干扰观测器的除尘电源控制系统控 制精度有限，无法取得非常理想的除尘效果，通过改进环境或设备结构的方法周期较长、成 本较高，本发明只需在控制系统中附加干扰观测器，易于实现、成本较低，能够有效提高除 尘效率。
【附图说明】
[0013] 图1为高压高频脉冲电源系统结构示意图；
[0014] 图2为高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统的结构示意图；
[0015] 图3为干扰观测器控制系统结构图。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合具体实施例，进一步阐明发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而 不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同变 换均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0017] 如图1所示，高压高频脉冲电源系统由三相整流桥、高频逆变电路、开关整流变压 器和控制系统4个部分组成。该系统是整个电源系统的核心，以高频开关逆变整流技术为基 础，实现AC-DC-AC-DC的电源变换过程，为电除尘器正常运行提供所需的高压电源。其工作 过程:三相380V工频交流电源经可控整流滤波后输出稳定的直流电压，供给MMC高频逆变电 路，MMC根据电除尘器工况变化输出频率、幅度、宽度、灵活可变的交流脉冲，经变压器升压 整流后，输出高压直流脉冲电压供给电除尘器电场。高压高频脉冲电源系统参数为：
[0018] 额定输出直流电压:60kV、72kV、80kV;
[0019] 额定输出直流电流：400mA、600mA、1000mA、1200mA、1400mA、1600mA、1800mA、 2000mA、2400mA;
[0020]通讯接口： RS-485/CAN/以太网；
[0021] 输入电源：三相AC 380V±10%，50Hz±2.0Hz;
[0022] 使用环境温度:控制柜周围环境温度为-5°C~+40°C，整流变压器周围环境温度不 高于+40°C，不低于变压器油规定的凝点温度。
[0023] 如图2所示，高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统包括模拟量采集电路、调 理电路、主控制器、干扰观测器以及IGBT驱动电路。所述模拟量采集电路采样除尘器输出的 电压和电流模拟信号，将其转换为数字信号，再经调理电路调理后发送给主控制器;主控制 器输出控制信号至IGBT驱动电路，通过控制IGBT的开通和关断，实现对输出电压和电流幅 值、频率、波形的控制。当外界环境发生干扰时，会影响主控制器输出的控制信号，降低控制 精度。因此，本发明加入了干扰观测器，当有扰动输入时，通过干扰观测器得到等效干扰，对 主控制器输出信号进行补偿，实现干扰的完全抑制。
[0024] 上述高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统的控制方法，包括如下步骤：
[0025] (1)模拟量采集电路采集除尘器的输出电压和电流，将其转化为数字信号后传送 给调理电路；
[0026] (2)调理电路对电压和电流数字信号进行调理后，传送给主控制器；
[0027] (3)当有扰动输入时，主控制器输出的控制信号叠加外界扰动后输送至干扰观测 器，干扰观测器将该信号与原主控制器输出的控制信号经过低通滤波后做差，得到等效干 扰，再将等效干扰反馈至主控制器的输出端，完成干扰抑制；
[0028] (4)完成干扰抑制后，主控制器输出控制信号，并将控制信号传送给IGBT驱动电 路；
[0029] (5)IGBT驱动电路通过其开通和断开，实现对输出电压和电流幅值、频率、波形的 控制。
[0030]以下对本发明的抗干扰控制做详细描述。如图3所示的干扰观测器控制系统结构 图，Uc(s)是主控制器输出的控制信号，U(s)是干扰观测器输入，Y(s)是系统输出，D(s)是干 扰，Z)(s；|是等效干扰，GP(s)是受控对象实际模型，Gn(s)是受控对象标称模型，Q(s)是低通 滤波器。可以求出等效干扰为
[0031 ] D(s) a [(J(s) + D(s)]G(s)Q(s) - U： (s)Q(s) (.1)
[0032]将等效干扰反馈至主控制器的输出端，即可实现干扰的准确补偿，这是本发明的 基本思想。根据图3所示的干扰观测器控制系统结构图，利用梅森公式可以进一步得到系统 输出Y(s)的传递函数为
[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，外部扰动可以得到完全抑制，且被控对象近似为标称模型。
[0040] Q(s)设计原则如下：
[0041] (l)Q(s)的相对阶数应不少于标称模型6"(8)，以确保控制系统合理。
[0042] (2)在低频域，Q(s)应接近1，以保证集总扰动估计值近似等于实际值，减弱外界干 扰的影响。
[0046]式中，zr-^是零点，pr-p^极点，1是零极点重数，ak、bk是常数，t是时间常数，k
[0043]对于式(7)所示的被控对象，Q(s)可设计为式(8)的形式： (7) (8) ㈨） 是滤波器阶数，L、N均为常数且满足L彡1-1 (L彡0)，N-L彡1+m-n。[0047]以最小相位系统为例，如式(9)、式(10)所示：
(10)
[0050] 基于以上设计原则，滤波器Q(s)可以选择一阶低通形式，稳态增益为1，如式（11) 所示：
(11)
[0052]其中，参数A = bf影响干扰估计精度。实际上，精确的干扰估计取决于频率特性传 递函数1-Q(s)，而参数A越小，则1-Q(s)的幅值越小，因此选择一个相对较小的A，干扰估计 误差收敛区域也会小的多。
【主权项】
1. 高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统，其特征在于，包括模拟量采集电路、调 理电路、主控制器、干扰观测器以及IGBT驱动电路，所述模拟量采集电路用于采样除尘器输 出的电压和电流模拟信号，并将其转换为数字信号后传送给调理电路;所述调理电路用于 对接收的电压和电流数字信号进行调理，并将调理后的信号传送给主控制器;所述主控制 器根据接收的调理后信号输出控制信号，并将控制信号传送给IGBT驱动电路;所述干扰观 测器在有扰动时，对主控制器输出的控制信号进行补偿，实现对干扰的完全抑制;所述IGBT 驱动电路用于根据接收的控制信号进行开通和断开，实现对输出电压和电流幅值、频率、波 形的控制。2. 根据权利要求1所述的高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统，其特征在于，所 述干扰观测器包括低通滤波器，主控制器输出的控制信号叠加外界扰动后输送至干扰观测 器，干扰观测器将该信号与原主控制器输出的控制信号经过低通滤波后做差，得到等效干 扰，再将等效干扰反馈给主控制器的输出端，完成干扰抑制。3. 根据权利要求1所述的高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统，其特征在于，经 过补偿的输出Y(s)表示为： Y(s) =Guy(s)Uc(s)+Gdy(s)D(s) 其中，式中，Uc(s)是主控制器输出的控制信号，U(s)是干扰观测器输入，Y(s)是系统输出，Guy (S)是Uc(s)至Y(s)之间的前向通道传递函数，Gdy(s)是D(s)至Y(s)之间的前向通道传递函 数，D(s)是干扰，β(.ν)是等效干扰，GP(s)是受控对象实际模型，G n(s)是受控对象标称模型， Q(s)是低通滤波器。4. 根据权利要求3所述的高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统，其特征在于，所 述低通滤波器Q(s)的设计原则为： (1) Q(s)的相对阶数应不少于标称模型6"(8)，以确保控制系统合理。 (2) 在低频域，Q(s)应接近1，以保证集总扰动估计值近似等于实际值，减弱外界干扰的 影响。5. 根据权利要求4所述的高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统，其特征在于，当 被控对象表示为：贝iJ，Q(s)设计为：式中，ζι···ζη是零点，ρι···ριη是极点，1是零极点重数，ak、bk是常数，τ是时间常数，k是滤 波器阶数，L、N均为常数且满足L彡1-1，L彡0，N-L彡1+m-n。6. 高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制方法，其特征在于，包括如下步骤： (1) 模拟量采集电路采集除尘器的输出电压和电流，将其转化为数字信号后传送给调 理电路； (2) 调理电路对电压和电流数字信号进行调理后，传送给主控制器； (3) 当有扰动输入时，主控制器输出的控制信号叠加外界扰动后输送至干扰观测器，干 扰观测器将该信号与原主控制器输出的控制信号经过低通滤波后做差，得到等效干扰，再 将等效干扰反馈给主控制器的输出端，完成干扰抑制； (4) 完成干扰抑制后，主控制器输出控制信号，并将控制信号传送给IGBT驱动电路； (5) IGBT驱动电路通过其开通和断开，实现对输出电压和电流幅值、频率、波形的控制。7. 根据权利要求6所述的高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制方法，其特征在于，经 过补偿的输出Y(s)表示为： Y(s) =Guy(s)Uc(s)+Gdy(s)D(s) 其中，式中，Uc(s)是主控制器输出的控制信号，U(s)是干扰观测器输入，Y(s)是系统输出，Guy (S)是Uc(s)至Y(s)之间的前向通道传递函数，Gdy(s)是D(s)至Y(s)之间的前向通道传递函 数，D(s)是干扰，是等效干扰，GP(s)是受控对象实际模型，Gn(s)是受控对象标称模型， Q(s)是低通滤波器。8. 根据权利要求7所述的高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制方法，其特征在于，所 述低通滤波器Q(s)的设计原则为： (1) Q(s)的相对阶数应不少于标称模型6"(8)，以确保控制系统合理。 (2) 在低频域，Q(s)应接近1，以保证集总扰动估计值近似等于实际值，减弱外界干扰的 影响。9. 根据权利要求8所述的高压高频脉冲静电除尘电源抗干扰控制系统，其特征在于，当 被控对象表示为： 贝U，Q(s)设计为：式中，zi+ 211是零点，pi…口!!!是极点，1是零极点重数，ak、bk是常数，τ是时间常数，k是滤 波器阶数，UN均为常数且满足L彡1-1，L彡0，N-L彡1+m-n。
【文档编号】H02M3/335GK105958834SQ201610486349
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年6月28日
【发明人】尤鋆, 廖延涛, 金龙, 杨俊
【申请人】南京比恩机电科技有限公司, 东南大学