模糊控制在有源電力濾波器直流側(cè)中的應(yīng)用

夏雨，黃洪全，楊希，蘇念

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004）

模糊控制在有源電力濾波器直流側(cè)中的應(yīng)用

夏雨，黃洪全，楊希，蘇念

（廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西南寧530004）

針對有源電力濾波器（APF）直流側(cè)采用PI控制在啟動時存在電壓超調(diào)大和電流沖擊以及在負(fù)載突變時電壓波動大的問題，設(shè)計(jì)了一種參數(shù)模糊自整定PI控制方法來實(shí)現(xiàn)軟啟動和提高魯棒性。以并聯(lián)型三相三線有源電力濾波器為例，分析了其工作原理并提出了軟啟動方法，詳述了模糊控制器的設(shè)計(jì)過程。仿真結(jié)果表明有源電力濾波器采用該方法在啟動時能使直流側(cè)電壓平穩(wěn)上升至給定值，啟動電流也無沖擊現(xiàn)象，并且魯棒性強(qiáng)，證明此方法是可行的。

有源電力濾波器；直流側(cè)；模糊控制；軟啟動；魯棒性

近年來，電力電子技術(shù)發(fā)展迅速，各種電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，給人們的生產(chǎn)和生活帶來很大的便利，但同時也造成嚴(yán)重的諧波污染，使得電能質(zhì)量大大降低，由諧波引起的各種事故也頻頻發(fā)生，因此人們開始重視諧波的治理。APF是一種可同時實(shí)現(xiàn)動態(tài)抑制諧波、無功補(bǔ)償和消除三相不平衡的新型電力電子裝置，具有響應(yīng)速度快，可動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，運(yùn)動范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，成為當(dāng)前電能質(zhì)量控制領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)[1-4]。

直流側(cè)電壓的控制是APF的重要環(huán)節(jié)[5-7]。對于一臺實(shí)用的APF而言，不管是在啟動過程中，還是在正常運(yùn)行時，都需要對直流側(cè)電壓進(jìn)行嚴(yán)格的控制。在啟動時，為了減小電壓超調(diào)和電流沖擊，讓裝置能夠順利并安全地投入運(yùn)行，應(yīng)該實(shí)現(xiàn)裝置的軟啟動；當(dāng)裝置正常運(yùn)行的時候，直流側(cè)電壓需要維持在給定值，以確保APF具有良好的補(bǔ)償效果；當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載發(fā)生突變時會造成直流側(cè)電容電壓的跌落或陡升，容易使系統(tǒng)處于欠補(bǔ)償或過補(bǔ)償?shù)臓顟B(tài)，此時，應(yīng)該盡可能地將直流側(cè)電容電壓控制在小范圍內(nèi)波動，并使其快速恢復(fù)至給定值。

本文以傳統(tǒng)PI控制方法為基礎(chǔ)，將其與模糊控制理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種參數(shù)模糊自整定PI控制方法。該方法能夠根據(jù)工作狀況來進(jìn)行模糊推理輸出合理的PI參數(shù)調(diào)節(jié)量，對PI控制器參數(shù)進(jìn)行在線整定，有效改善系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)性能和魯棒性。

1 APF主電路結(jié)構(gòu)與工作原理

本文將并聯(lián)型三相三線有源電力濾波器作為例子來進(jìn)行說明分析，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中usa、usb和usc代表電網(wǎng)三相相電壓，isa、isb和isc代表電網(wǎng)側(cè)三相電流，ila、iib和ilc代表負(fù)載側(cè)三相電流，ica、icb和icc代表APF交流側(cè)電流。有源電力濾波器主電路為PWM電壓型逆變器，其中udc代表APF直流側(cè)電容電壓，L為濾波電感，C為直流側(cè)電容。非線性負(fù)載是諧波源，能夠產(chǎn)生諧波電流并流入電網(wǎng)造成諧波污染。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

負(fù)載電流可以分解為基波有功分量、諧波分量和無功分量。APF產(chǎn)生與負(fù)載電流的諧波分量和無功分量大小相等且方向相反的補(bǔ)償電流，從而抵消負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流和無功電流，使得電網(wǎng)電流中只含有基波有功電流，達(dá)到諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

APF直流側(cè)僅有電容,在啟動前電容處于零電壓狀態(tài)，而且大容量APF交流側(cè)的濾波電感很小,如果投入時操作不當(dāng),將在直流側(cè)和交流側(cè)產(chǎn)生很大的電流沖擊,可能會導(dǎo)致功率器件的損壞甚至燒毀，影響裝置的投入使用。因此，大容量APF在啟動時需要采用軟啟動方法來避免直流側(cè)產(chǎn)生電壓過沖和電流沖擊等問題,從而保證APF能安全地啟動并順利投入工作[10]。

同時，在裝置運(yùn)行過程中，負(fù)載經(jīng)常變化會引起直流側(cè)電壓的波動，為了確保APF具有良好的補(bǔ)償效果，應(yīng)該保證直流側(cè)電壓在小范圍內(nèi)波動并且能夠迅速回到給定值?？傊?，APF直流側(cè)電壓的控制是非常關(guān)鍵的。

2 直流側(cè)電壓的PI控制

目前，直流側(cè)電容電壓控制普遍采用的是PI控制。在控制過程中，將直流側(cè)電壓給定值u*dc與實(shí)際檢測值udc做差得到電壓偏差，然后經(jīng)過PI控制器后得到輸出量△ip，再把此輸出量疊加到瞬時有功電流的直流分量ˉip上，通過運(yùn)算得到指令電流來使補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流，實(shí)現(xiàn)APF直流側(cè)和交流側(cè)的能量交換，將直流側(cè)電壓udc調(diào)節(jié)并維持在給定值，其基本關(guān)系如下：

式中KP、KI分別是比例系數(shù)和積分系數(shù)。

俱樂部開展的健身項(xiàng)目主要以力量器械訓(xùn)練、有氧健身操、踏板健美操和動感單車、瑜伽等為主，其中有氧健身操、動感單車、瑜伽的比例最大，分別占40.4%、26.7%、24.9%，這也與動感單車、瑜伽較為簡單易行和大部分教練取得了有氧健美操證書的教練相對較多有關(guān)，從調(diào)查結(jié)果也可以了解到50%以上的健身指導(dǎo)員能夠掌握2-4項(xiàng)健美操運(yùn)動技能，能夠滿足健身俱樂部的要求（表2）。另外，鄂州市健美操指導(dǎo)員每周指導(dǎo)次數(shù)普遍偏高、強(qiáng)度較大(表3)。

APF在啟動時電壓偏差較大，為了保證不過流，往往需要較小的PI參數(shù)，但隨著電壓偏差減小，達(dá)到穩(wěn)態(tài)后又需要較大的PI參數(shù)來保證系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能和魯棒性。雖然PI控制方法原理簡單且可靠性高，但是這種控制方法的各個參數(shù)都是固定的，而在實(shí)際應(yīng)用的場合中，控制對象通常具有非線性和時變性，PI控制不能夠根據(jù)實(shí)際工作狀況來實(shí)時修改參數(shù)，因此控制效果往往受到制約[13]。

3 軟啟動方法

并聯(lián)型APF與需要補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)從無物理連接的初始狀態(tài)到接入系統(tǒng)并對系統(tǒng)中的諧波和無功電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)娜^程即為投入過程。投入過程包括硬投入和軟投入。硬投入是指APF與要補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)物理連接的過程,其中包括限流電阻的切除和接觸器的合閘等。軟投入是指IGBT觸發(fā)脈沖從開始的封鎖狀態(tài)到解鎖狀態(tài)[14]。

本文針對APF啟動的特點(diǎn)提出軟啟動方法和步驟：

（1）預(yù)充電過程。開始啟動時，電容處于無電壓狀態(tài)，將接觸器合閘使APF接入電網(wǎng)中,此時IGBT觸發(fā)脈沖呈封鎖狀態(tài)，僅利用IGBT的反并聯(lián)二極管經(jīng)限流電阻將直流側(cè)電容電壓預(yù)沖至電網(wǎng)線電壓峰值537 V左右。當(dāng)直流側(cè)電壓檢測回路檢測到電壓達(dá)到一定值時,將限流電阻短路切除。

（2）升壓過程。預(yù)充電完畢后再進(jìn)行軟投入，IGBT觸發(fā)脈沖從封鎖狀態(tài)到解鎖狀態(tài)，此時電壓偏差依然很大，若采用PI控制很容易給系統(tǒng)造成很大的電流沖擊。本文采用參數(shù)模糊自整定PI控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制，實(shí)現(xiàn)APF直流側(cè)電容電壓平穩(wěn)上升至給定值并且電流無沖擊。

4 參數(shù)模糊自整定PI控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的模糊控制器是以直流側(cè)電容電壓偏差e和偏差變化率ec作為輸入變量，選取比例系數(shù)的調(diào)節(jié)量△KP和△KI積分系數(shù)的調(diào)節(jié)量作為輸出變量。參數(shù)模糊自整定PI控制的執(zhí)行過程是：在設(shè)備運(yùn)行過程中不斷地檢測e和ec，并將其輸入至模糊控制器中，然后經(jīng)過模糊推理輸出調(diào)節(jié)量△KP和△KI來對PI控制器的兩個參數(shù)進(jìn)行在線修正，來達(dá)到不同的e和ec對PI控制器參數(shù)的要求，從而使整個控制系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的性能[15]。參數(shù)模糊自整定PI控制原理如圖2所示。

圖2 參數(shù)模糊自整定PI控制原理圖

圖中Ke和Kc分別為e和ec的量化因子，Ku和Kv分別為KP和KI的比例因子。將調(diào)節(jié)量和送入PI控制器再代入下式計(jì)算：

本文將輸入、輸出的語言變量的語言值劃分為七個等級，即為NL（負(fù)大），NM（負(fù)中），NS（負(fù)?。?，ZO（零），PS（正?。?，PM（正中），PL（正大）。把偏差e、偏差變化率ec、調(diào)節(jié)量和的模糊論域均設(shè)為[-6,6]。選取e和ec的精確論域分別為[-150，150]與[-6000，6000]，那么就可以得到模糊控制器的輸入量化因子Ke=6/ 150，Kc=6/6 000.△KP、△KI的變化范圍分別為[-0.6，0.6]和[-12，12]，因此可以得到模糊控制器輸出比例因子Ku=0.1，Kv=2.e、ec、△KP、△KI的隸屬函數(shù)曲線均采用三角形。

模糊規(guī)則表是模糊控制器的核心，如表1、2所示。

表1 △KP的模糊規(guī)則表

表2 △KI的模糊規(guī)則表

當(dāng)電壓偏差e較大時，選取較小的KP，防止運(yùn)算電路輸出過大的指令電流給指令跟蹤控制電路而造成過電流，同時為了避免積分作用的積累而使電壓產(chǎn)生較大的超調(diào)，令KI=0或很小的值；當(dāng)電壓偏差e適中時，為快速減小偏差，需要加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，此時應(yīng)該適當(dāng)加大KP，KI依然為較小的值；當(dāng)電壓偏差e較小時，采用適中的KP和較大的KI以使系統(tǒng)有較好的穩(wěn)態(tài)性能，確保APF具有良好的補(bǔ)償效果。

根據(jù)規(guī)則表由Mamdani推理法進(jìn)行模糊推理以后，得到的結(jié)果為模糊值，不能直接用來作為控制量，需要將其解模糊化，轉(zhuǎn)換成精確量，本文采用的是重心法來解模糊化，該方法雖然計(jì)算量大，但是含概了輸出模糊子集所有元素的信息，因此計(jì)算結(jié)果也比較精確。其計(jì)算公式為：

5 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證APF電壓環(huán)采用參數(shù)模糊自整定PI控制時擁有良好的啟動性能和魯棒性，將參數(shù)模糊自整定PI控制方法和傳統(tǒng)PI控制方法通過MATLAB仿真進(jìn)行比較。在仿真中電網(wǎng)線電壓有效值為380 V，頻率為50 Hz，非線性負(fù)載為三相整流橋帶阻性負(fù)載，阻值為10 Ω，直流側(cè)電壓給定值V，交流側(cè)濾波電感L=3 mH，限流電阻為10 Ω，直流側(cè)電容C=4 000 μF.

采用PI控制啟動時直流側(cè)電容電壓及交流側(cè)電流波形如圖3和4所示。

圖3 采用PI控制時直流側(cè)電壓波形

圖4 采用PI控制時交流側(cè)電流波形

采用參數(shù)模糊自整定PI控制啟動時直流側(cè)電容電壓及交流側(cè)電流波形如圖5和6所示。

圖5 采用參數(shù)模糊自整定PI控制時直流側(cè)電壓波形

圖6 采用參數(shù)模糊自整定PI控制時交流側(cè)電流波形

預(yù)充電時，在兩種控制方法的仿真中都將IGBT觸發(fā)脈沖封鎖，只通過反向并聯(lián)二極管經(jīng)限流電阻對電容進(jìn)行充電，此時電壓平穩(wěn)上升且電流無沖擊，經(jīng)0.15 s達(dá)到500 V，在這個階段兩者的波形是一樣的。當(dāng)直流側(cè)電壓大于500 V，切除限流電阻，軟投入后，解鎖IGBT觸發(fā)脈沖，通過控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷繼續(xù)對直流側(cè)電容充電，PI控制在這個階段產(chǎn)生了電壓超調(diào)和很大的電流沖擊，給設(shè)備運(yùn)行帶來安全隱患；參數(shù)模糊自整定PI控制在這個階段能夠使得電壓平穩(wěn)地上升，并且有效減小了啟動電流，動態(tài)性能得到很大的改善，很好地實(shí)現(xiàn)了軟啟動。

當(dāng)負(fù)載突變時，在兩種控制方法下直流側(cè)電壓波形如圖7所示。

圖7 采用PI控制（上）和參數(shù)模糊自整定PI控制（下）時直流側(cè)電壓波形

在0.5 s時負(fù)載發(fā)生突變，三相整流橋帶阻性負(fù)載中電阻阻值由10 Ω變?yōu)? Ω，從圖7中可以看出，在PI控制下直流側(cè)電壓最低下降至670 V，電壓波動幅度較大；在參數(shù)模糊自整定PI控制下，直流側(cè)電壓最低跌落至679 V，下降幅度僅為PI控制的0.7倍，并且迅速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，表現(xiàn)出更強(qiáng)的魯棒性，控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制。

6 結(jié)束語

針對有源濾波器在啟動時直流側(cè)采用PI控制存在電壓超調(diào)大和電流沖擊以及負(fù)載突變時直流側(cè)電壓波動大的問題，結(jié)合模糊控制理論設(shè)計(jì)了一種參數(shù)模糊自整定PI控制方法用于實(shí)現(xiàn)軟啟動和提高魯棒性。參數(shù)模糊自整定PI控制可以在系統(tǒng)運(yùn)行中對PI控制器參數(shù)進(jìn)行在線整定，使其在任何時刻都能采用較合適的參數(shù)，表現(xiàn)出更加優(yōu)越的性能。仿真結(jié)果表明參數(shù)模糊自整定PI控制與傳統(tǒng)的PI控制相比，可以更好地改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)，抑制電壓超調(diào)，大大減小啟動電流，并且魯棒性強(qiáng)，對保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性起到良好的作用，證明了該方法是有效的。

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社，2008.

Application of Fuzzy Control in the DC Side of Active Power Filter

XIA Yu，HUANG Hong－quan,YANG Xi，SU Nian
（School of Electrical Engineering,Guangxi University，Nanning Guangxi 530004，China）

In view of the disadvantages which exist in the DC side using PI control when active power filter starts up，such as the voltage overshoot，current shock and the voltage fluctuation when load change.A parameter fuzzy self-tuning PI control method is designed to realize the soft start and improve robustness.Illustrated by the example of shunt three-phase three-wire active power filter，the operation principle is analyzed and the soft start method is proposed，and the design process of the fuzzy controller is described in detail.The simulation results show that the active power filter at startup by using this method can make the DC-side voltage steadily rise to reference，the starting current is no impact and the system has strong robustness.It proves this method is feasible.

active power filter(APF)；DC side；fuzzy control；soft start-up;robustness

TM464

A < class="emphasis_bold">文章編號：1

1672-545X（2017）05-0132-05

2017-02-05

夏雨（1992-），男，廣西柳州人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。