基于模糊控制的有源濾波器直流母線電壓控制

摘要 針對傳統(tǒng)直流側(cè)電壓控制方法存在超調(diào)量和靜差較大的問題，設(shè)計(jì)了混合有源電力濾波器控制系統(tǒng)，建立了混合有源電力濾波器的系統(tǒng)模型，并針對直流側(cè)電壓控制設(shè)計(jì)了一套雙模糊控制器，與傳統(tǒng)直流側(cè)電壓控制方法相比，該控制方法具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、靜差較小的特點(diǎn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。
關(guān)鍵詞 混合有源電力濾波器；直流側(cè)電壓；雙模糊控制器

    隨著大量非線性負(fù)載接入電網(wǎng)，諧波問題成為影響電力系統(tǒng)安全和電能質(zhì)量的重要因素，電力諧波治理日益受到重視。
    目前對APF直流側(cè)電壓多是采用PI控制或模糊控制，但PI控制依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性差、易引起電壓超調(diào)和電流沖擊；模糊控制不依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型，穩(wěn)態(tài)效果也比常規(guī)的PI控制效果好，但缺點(diǎn)是動態(tài)過程中直流側(cè)電壓控制效果不理想。
    文中建立了混合有源電力濾波器的仿真模型。針對直流側(cè)電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套雙模糊控制器。仿真結(jié)果表明，該有源電力濾波器能有效地消除諧波電流，同時(shí)具有良好的動態(tài)補(bǔ)償特性。

1 源濾波器工作原理及主電路設(shè)計(jì)
    混合有源濾波器的基本原理是從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)中只含有基波，達(dá)到濾波的目的。
    并聯(lián)混合有源電力濾波器原理如圖1所示。該混合型有源電力濾波器由LC無源濾波器和有源濾波器兩部分組成?；旌闲虯PF以電壓型逆變器作為其有源部分，與無源部分和負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)。

    特定次諧波主要由無源濾波器消除，采用多個(gè)單調(diào)諧濾波器組成，單調(diào)諧濾波器的調(diào)諧頻率根據(jù)被補(bǔ)償對象的諧波成分確定，無源濾波器可由5次、7次和11次單調(diào)諧濾波器構(gòu)成。
    APF系統(tǒng)由指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路組成。工作原理是：通過檢測負(fù)載電流Ll和電網(wǎng)電流Is，提取其中的諧波電流，進(jìn)而通過控制三相半橋逆變器輸出與諧波電流相反的補(bǔ)償電流Ic，最終使Is趨近于正弦。

2 直流側(cè)電壓控制方法
2．1 雙模糊控制方法
    本文提出了一種直流母線電壓的雙模糊控制方法。該方法由于控制器的增多，改善了控制性能，使系統(tǒng)的控制時(shí)間、動態(tài)響應(yīng)加快、穩(wěn)態(tài)誤差變小，并且算法實(shí)現(xiàn)簡單，滿足多種負(fù)載變化情況下的直流母線電壓控制要求。
    雙模糊控制器的設(shè)計(jì)思想是從人工調(diào)節(jié)中的粗調(diào)、細(xì)調(diào)乃至微調(diào)中得到啟發(fā)而來，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    雙模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)不同的運(yùn)行條件，自動在模糊控制器1和模糊控制器2之間切換，這樣可以在保證系統(tǒng)控制精度的前提下，達(dá)到提高系統(tǒng)快速性、增強(qiáng)控制魯棒性的目的。
    雙模糊控制器實(shí)現(xiàn)自動切換的原則定義如下：當(dāng)系統(tǒng)電容側(cè)電壓的變化量△U大于設(shè)定值e0時(shí)，由模糊控制器1進(jìn)行控制，可提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能；系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，電容側(cè)電壓的變化量△U小于設(shè)定值e0時(shí)，切換到模糊控制器2進(jìn)行控制，可更好地消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。其中，控制器的切換由電壓誤差△U及其誤差變化率du／dt控制。該控制器在保證系統(tǒng)控制精度的前提下，實(shí)現(xiàn)提高系統(tǒng)速度、增強(qiáng)控制魯棒性的目的。其中△U為直流母線電壓與其參考值的偏差。
    模糊控制器根據(jù)每個(gè)采樣時(shí)刻的參數(shù)偏差及變化趨勢，基于專家知識建立的模糊規(guī)則庫，對系統(tǒng)作出迅速且有效的判斷，通過適當(dāng)加大或減小控制力度來實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。
    模糊控制器一般只有偏差和偏差變化率兩個(gè)輸入量，本文中的雙模糊控制器均采用二維模糊控制器，該模糊控制器以誤差和誤差的變化率為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。由前文對有源電力濾波器直流母線電壓控制原理的討論，選擇當(dāng)前的電壓Ur與參考電壓Uf的偏差△U及其變化率(du／dt)為模糊輸入變量，選擇模糊輸出變量為電網(wǎng)注入APF主電路的有功電流控制量Ud(△ip)。
    模糊輸入量e、ec定義為
    e(k)=Uf-Ud(k)
    ec(k)=e(k)-e(k-1)            (1)
    其中，Ur(k)為k時(shí)刻的直流母線電壓；Uf為參考電壓。
    在其論域上取7個(gè)語言變量，定義語言值為：{Positive Big(PB)，Positive Medium(PM)，Positive Small(PS)，Zero(ZO)，Negative Small(NS)，Negative Medium(NM)，Negative Big(NB)}。
    對模糊輸入e、ec和輸出u進(jìn)行模糊化，建立模糊子集為e，ec，u={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}
    模糊控制規(guī)則是模糊控制的核心，因此，如何建立模糊控制規(guī)則成為一個(gè)關(guān)鍵的問題。本文采用MAX-MIN推理合成規(guī)則，運(yùn)用IF-THEN形式的模糊條件語句，單元集模糊化重心法，輸入變量和輸出變量均采用三角形隸屬度函數(shù)。輸入變量e、ec和輸出變量u對應(yīng)的隸屬度函數(shù)如圖3所示。

    該模糊控制器調(diào)節(jié)過程如下：當(dāng)實(shí)際測量值遠(yuǎn)小于設(shè)定值時(shí)，則大幅增加控制量；當(dāng)實(shí)際測量值遠(yuǎn)大于設(shè)定值時(shí)，則大幅減小控制量；當(dāng)實(shí)際測量值和設(shè)定值正負(fù)偏差不大時(shí)，則根據(jù)實(shí)際測量值的變化趨勢來確定控制量的大小。模糊控制器規(guī)則如表1所示。

    雙模糊控制器仿真模型如圖4所示。
    其中控制器的切換由誤差的大小控制，切換原則如下：當(dāng)實(shí)際測量值與設(shè)定值之間的偏差>e0時(shí)，選擇開關(guān)自動選取模糊控制器1，即進(jìn)行粗調(diào)，相反，實(shí)際測量值與設(shè)定值之間的偏差<e0時(shí)，選擇開關(guān)自動選取模糊控制器2控制，即進(jìn)行微調(diào)。
    將模糊控制器1輸入e，ec的變化范圍定義為模糊集上的論域e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}實(shí)際的電壓誤差e和ec的范圍是[200，400]可以通過簡單的歸一化計(jì)算，得到如上的輸入論域范圍。
    同理，通過歸一化計(jì)算將模糊控制器2的輸入e，ec的變化范圍定義為模糊集上的論域e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}，實(shí)際的電壓誤差e和ec的范圍是[0，200]。
    模糊控制器1和模糊控制器2的內(nèi)部封裝如圖5和圖6所示。

2．2 常規(guī)PID控制方法
    目前，在APF中對直流電壓的控制通常采用常規(guī)的PID控制，為比較兩種方法的控制效果，在Matlab／Simulink仿真環(huán)境里，結(jié)合并聯(lián)電壓型有源濾波器模型，建立直流側(cè)電壓的常規(guī)PID控制仿真模塊，如圖7所示，Uf是直流側(cè)總電壓的給定值，Ur是直流側(cè)總電壓的反饋值，兩者之差經(jīng)PID調(diào)節(jié)后得到調(diào)節(jié)信號Ud，它疊加到有功電流ip上。使得有源電力濾波器的補(bǔ)償電流中包含一定的基波有功分量，使電網(wǎng)向有源電力濾波器的直流側(cè)補(bǔ)充能量，將直流側(cè)電壓維持在給定值。

3 仿真分析
    本文分別采用雙模糊復(fù)合控制方法與傳統(tǒng)PID控制方法對直流母線側(cè)電壓進(jìn)行控制，在Matlab／Simulink中對APF直流母線電壓進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。仿真參數(shù)如下：(1)PID控制器參數(shù)為Kp=1，Ki=0.1，Kd=10。(2)模糊控制器的誤差、誤差的變化的量化因子和輸出的比例因子K1=0.03 K2=0．2，K3=30，K4=0．02，K5=0．3，K6=25。(3)電容器容量為6 800μF，直流母線參考電壓Uf=400 V。
    仿真波形如圖8和圖9所示。

    從仿真結(jié)果可以看出，雙模糊控制與常規(guī)的PI控制相比動態(tài)響應(yīng)更快、超調(diào)小、靜態(tài)誤差小，其控制效果明顯好于PID控制方法。

4 結(jié)束語
    直流側(cè)電容電壓的控制關(guān)系到整個(gè)濾波器的性能。本文對傳統(tǒng)直流側(cè)電壓控制方法存在超調(diào)量和靜差較大的問題進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了雙模糊控制器，該控制方法減少了非線性因數(shù)的影響，使得系統(tǒng)超調(diào)量和靜差也有了較大的改善。同時(shí)該控制器具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、靜差小的特點(diǎn)。仿真結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。