有源電力濾波器控制方法研究現(xiàn)狀

亞志政

(天津泰達(dá)電子工程有限公司 天津 300450)

0 引 言

隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加快，各種電力設(shè)備如整流器、變頻調(diào)速設(shè)備以及各種電力電子設(shè)備相繼投入到生產(chǎn)運(yùn)行中。由于上述設(shè)備的非線性對(duì)供配電系統(tǒng)造成了相當(dāng)嚴(yán)重的問題，如何治理諧波造成的污染和損失也成為各國研究的重點(diǎn)。

有源電力濾波器(APF)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)諧波和無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)償效果好，所以各國把研究的重心放在APF上。其中APF的補(bǔ)償電流跟蹤控制能力決定了其整體性能。本文重點(diǎn)分析對(duì)比了各種主要的控制方法以及近些年發(fā)展迅速的智能控制方法。

1 有源電力濾波器的工作原理

如圖1可知，諧波源是其中的非線性負(fù)載，它主要消耗無功功率并且發(fā)出一定頻率的諧波。APF由幾個(gè)部分構(gòu)成，其最重要的核心部分分別是指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。

圖1 有源電力濾波器原理圖Fig.1 Schematic diagram of active power filter

指令電流運(yùn)算電路的功能是檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備中電流的無功和諧波等電流分量。補(bǔ)償電流發(fā)生電路的功能是按照指令電流運(yùn)算電路給出的補(bǔ)償電流指令信號(hào)產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流，該電路主要包括3部分，分別是電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路[1]。

2 補(bǔ)償電流控制方法

2.1 滯環(huán)比較控制方法

由圖2可知，該方法是把補(bǔ)償電流的指令信號(hào)與實(shí)際的補(bǔ)償電流信號(hào)進(jìn)行比較，再將兩者比較的差值輸入到滯環(huán)比較器當(dāng)中，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)器件通斷的脈沖寬度調(diào)頻(PWM)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng) 電路來控制開關(guān)器件的通斷，從而控制補(bǔ)償電流的 變化。

圖2 滯環(huán)比較控制方法Fig.2 Hysteresis comparison control method

上述控制方法的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且在輸出的電壓當(dāng)中諧波成分相對(duì)少。它的缺點(diǎn)是滯環(huán)寬度很大程度上決定了開關(guān)頻率、損耗以及控制的精度，如果滯環(huán)寬度比較小，那么控制的精度相應(yīng)比較高，但這會(huì)造成開關(guān)頻率和開關(guān)損耗增加。文獻(xiàn)[2]將該控制方法應(yīng)用到APF當(dāng)中取得了一定的補(bǔ)償效果。

2.2 滑?？刂品椒?/h3>

該方法與其他控制方法的不同在于它的控制是不連續(xù)的，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，滑?？刂品椒ǜ鶕?jù)檢測(cè)出的系統(tǒng)狀態(tài)隨時(shí)做出調(diào)整，強(qiáng)迫系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)在既定的狀態(tài)軌跡當(dāng)中，即滑模面上。因?yàn)檫@種狀態(tài)軌跡是可以人為設(shè)計(jì)的，并且和系統(tǒng)對(duì)象的參數(shù)及擾動(dòng)無關(guān)，所以該方法具有對(duì)參數(shù)變化及擾動(dòng)不敏感、無需系統(tǒng)在線辨識(shí)等優(yōu)點(diǎn)。電力電子裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與上述控制方法的特點(diǎn)非常匹配，因而它在APF當(dāng)中得到了非常廣泛的應(yīng)用。

滑?？刂品椒ㄖ饕娜秉c(diǎn)在于當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)軌跡到達(dá)滑模面之后，它不會(huì)一直沿著滑模面向平衡點(diǎn)滑動(dòng)，而是從滑模面的一側(cè)運(yùn)動(dòng)到另一側(cè)這樣反復(fù)運(yùn)動(dòng)，即產(chǎn)生了抖振。文獻(xiàn)[3-4]對(duì)APF通過其他途徑來降低抖振取得了一定的效果，但是控制算法設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。圖3描述了上述過程。

圖3 滑模運(yùn)動(dòng)過程Fig.3 Sliding mode movement process

2.3 自適應(yīng)控制方法

自適應(yīng)控制主要分為2種，一種是模型參考自適應(yīng)控制，另一種是自校正控制。模型參考自適應(yīng)控制根據(jù)不同的控制需求使參考模型的輸出滿足一定條件，其中調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)根據(jù)一定的要求調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，以此使參考模型的輸出和控制對(duì)象的輸出保持一致。自校正控制首先需要通過檢測(cè)到輸入和輸出的值，然后將它們的值輸入到參數(shù)估計(jì)器，該環(huán)節(jié)通過迭代的方法估計(jì)出對(duì)象參數(shù)，計(jì)算器根據(jù)已經(jīng)編寫的規(guī)則和得到的參數(shù)估計(jì)值計(jì)算控制器參數(shù)，最后通過上述方式控制被控對(duì)象從而達(dá)到控制目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]將該控制方法應(yīng)用到了APF當(dāng)中。

2.4 模糊控制方法

利用模糊控制方法首先需要對(duì)模糊集合和模糊邏輯有一定的認(rèn)識(shí)，因?yàn)樵摲椒ㄊ且运鼈優(yōu)榛A(chǔ)的一種控制方法。其特點(diǎn)是利用隸屬度函數(shù)來確定每個(gè)元素多大程度上屬于某一個(gè)集合。模糊控制以模糊集理論為基礎(chǔ)，以模糊語言變量和邏輯推理為工具，依照以往的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，通過一定的規(guī)則來達(dá)到控制目的。

模糊控制經(jīng)常和PI控制結(jié)合使用，因?yàn)镻I控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是PI控制參數(shù)的選取依賴于系統(tǒng)的精確模型，對(duì)于一些復(fù)雜系統(tǒng)，模型往往不易建立，控制參數(shù)的選擇成為難題，而且PI控制的魯棒性比較差，容易引發(fā)超調(diào)。模糊控制就不受限于建模，而且魯棒性能好，兩者的結(jié)合可以彌補(bǔ)單純PI控制的缺點(diǎn)，同時(shí)帶來更高效的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，更低的超調(diào)，更小的靜態(tài)誤差等。文獻(xiàn)[6-7]利用模糊控制的特點(diǎn)來調(diào)整Kp和Ki這2個(gè)參數(shù)使得APF的直流側(cè)電壓有良好的穩(wěn)定值。

2.5 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural networks，ANN)是依照一定的規(guī)則通過數(shù)量很多的、比較簡(jiǎn)單的神經(jīng)元相互組合在一起而形成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，隨著外部信息不斷輸入，該系統(tǒng)的狀態(tài)做出一定的響應(yīng)來處理信息，可以把ANN當(dāng)成一個(gè)模仿人類大腦結(jié)構(gòu)以及它的功能的信息處理系統(tǒng)。ANN有幾個(gè)主要的特點(diǎn)：本質(zhì)上是非線性系統(tǒng)，能充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系；無需建立輸入輸出間明確的關(guān)系，而是通過學(xué)習(xí)過程和自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)，能夠適應(yīng)不確定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；系統(tǒng)信息存儲(chǔ)在神經(jīng)元及連接權(quán)中，具有很強(qiáng)的魯棒性和容錯(cuò)能力；具有并行處理能力，可極大地加快系統(tǒng)的速度和可靠性。

由于APF本身是一個(gè)非線性系統(tǒng)，根據(jù)上面的描述可以看到，將ANN應(yīng)用于APF控制是比較符合其特點(diǎn)的?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的APF如圖4所示，它的工作原理是依照一定的算法來完成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過輸入給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電流誤差信號(hào)來控制電路產(chǎn)生需要的PWM開關(guān)控制信號(hào)，從而產(chǎn)生需要補(bǔ)償?shù)闹C波電流。

圖4 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的APF系統(tǒng)Fig.4 APF system based on neural network control

文獻(xiàn)[8]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到APF的補(bǔ)償電流控制當(dāng)中，但是該方法比較復(fù)雜而且只是處于試驗(yàn)階段。

3 有源濾波器發(fā)展方向

盡管近年來人們對(duì)APF的控制方法已經(jīng)做出了非常多的研究和討論，但是各種方法都存在著自己的一定缺點(diǎn)，所以人們還是需要對(duì)各種控制方法做出相關(guān)的改進(jìn)，根據(jù)上面的描述，對(duì)APF的發(fā)展方向做出如下總結(jié)。

① 傳統(tǒng)控制方法一般結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制過程也不復(fù)雜，響應(yīng)速度比較快，但是這些控制方法一般情況下都不具備在線調(diào)整能力，針對(duì)一些不確定的系統(tǒng)往往效果不很理想，如果能和其他現(xiàn)代控制理論或智能控制方法相結(jié)合，將會(huì)取得一定的改進(jìn)。

② 由于APF的電壓、電流耦合在一起，APF本身是一個(gè)強(qiáng)非線性系統(tǒng)，APF的參數(shù)也會(huì)隨著系統(tǒng)的運(yùn)行發(fā)生改變所以具有一定的不確定性，而且APF針對(duì)的補(bǔ)償對(duì)象即電網(wǎng)系統(tǒng)本身也是一個(gè)非常復(fù)雜的被控對(duì)象。基于上述原因，現(xiàn)代控制方法具有在線調(diào)節(jié)能力以及比傳統(tǒng)控制方法更強(qiáng)的魯棒性，故其控制精度更高，補(bǔ)償效果也更加理想。

③ 現(xiàn)階段，APF智能控制方法還未到達(dá)大規(guī)模有效使用階段，但是相對(duì)于它的研究速度比較快。與ANN相比而言，模糊控制方法計(jì)算量比較少，同其他控制方法結(jié)合相對(duì)效果也比較好，故有一定的應(yīng)用

前景。

4 結(jié) 論

本文在研究分析APF工作原理的基礎(chǔ)上，分別從不同的層面對(duì)比分析了針對(duì)APF補(bǔ)償電流的各種控制方法以及它們的優(yōu)缺點(diǎn)，最后根據(jù)控制方法的特點(diǎn)給出了未來的研究方向。通過本文的闡述可以了解到當(dāng)前對(duì)APF控制方法的研究還不夠成熟，如何將已有的研究成果加以完善并在應(yīng)用當(dāng)中帶來實(shí)際效益，值得進(jìn)一步思考?！?/p>