基于模糊控制的有源濾波器直流母線電壓控制

葛 帥

(中國空空導(dǎo)彈研究院 第10研究所，河南 洛陽471000)

隨著大量非線性負載接入電網(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［1］。

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［2］;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，但缺點是動態(tài)過程中直流側(cè)電壓控制效果不理想［3］。

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，同時具有良好的動態(tài)補償特性。

1 源濾波器工作原理及主電路設(shè)計

混合有源濾波器的基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)中只含有基波，達到濾波的目的。

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。混合型APF以電壓型逆變器作為其有源部分，與無源部分和負載并聯(lián)接入電網(wǎng)［3］。

特定次諧波主要由無源濾波器消除，采用多個單調(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［2］。

APF系統(tǒng)由指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路組成。工作原理是:通過檢測負載電流Ll和電網(wǎng)電流Is，提取其中的諧波電流，進而通過控制三相半橋逆變器輸出與諧波電流相反的補償電流Ic，最終使Is趨近于正弦。

圖1 并聯(lián)混合有源電力濾波器原理圖

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［4－7］。該方法由于控制器的增多，改善了控制性能，使系統(tǒng)的控制時間、動態(tài)響應(yīng)加快、穩(wěn)態(tài)誤差變小，并且算法實現(xiàn)簡單，滿足多種負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)計思想是從人工調(diào)節(jié)中的粗調(diào)、細調(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)點在于可根據(jù)不同的運行條件，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，達到提高系統(tǒng)快速性、增強控制魯棒性的目的。

雙模糊控制器實現(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ΔU大于設(shè)定值e0時，由模糊控制器1進行控制，可提高系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)性能;系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，電容側(cè)電壓的變化量ΔU小于設(shè)定值e0時，切換到模糊控制器2進行控制，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ΔU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，實現(xiàn)提高系統(tǒng)速度、增強控制魯棒性的目的。其中ΔU為直流母線電壓與其參考值的偏差。

模糊控制器根據(jù)每個采樣時刻的參數(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現(xiàn)穩(wěn)定控制。

圖2 雙模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器一般只有偏差和偏差變化率兩個輸入量，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ΔU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(Δip)。

模糊輸入量e、ec定義為

其中，Ur(k)為k時刻的直流母線電壓;Uf為參考電壓。

在其論域上取7個語言變量，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)則成為一個關(guān)鍵的問題［8］。本文采用MAX－MIN推理合成規(guī)則，運用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。

圖3 模糊變量的隸屬度函數(shù)定義

該模糊控制器調(diào)節(jié)過程如下:當(dāng)實際測量值遠小于設(shè)定值時，則大幅增加控制量;當(dāng)實際測量值遠大于設(shè)定值時，則大幅減小控制量;當(dāng)實際測量值和設(shè)定值正負偏差不大時，則根據(jù)實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。

表1 模糊控制器規(guī)則表

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)實際測量值與設(shè)定值之間的偏差＞e0時，選擇開關(guān)自動選取模糊控制器1，即進行粗調(diào)，相反，實際測量值與設(shè)定值之間的偏差＜e0時，選擇開關(guān)自動選取模糊控制器2控制，即進行微調(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算，得到如上的輸入論域范圍。

同理，通過歸一化計算將模糊控制器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。

圖5 模糊控制器1

圖6 模糊控制器2

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)補充能量，將直流側(cè)電壓維持在給定值。

圖7 PID控制模塊仿真圖

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)電壓進行控制，在Matlab/Simulink中對APF直流母線電壓進行仿真實驗。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。

圖8 PID控制直流側(cè)電壓仿真曲線

圖9 雙模糊控制直流側(cè)電壓仿真曲線

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行了分析，設(shè)計了雙模糊控制器，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。同時該控制器具有超調(diào)小、響應(yīng)速度快、靜差小的特點。仿真結(jié)果證明了該控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。

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