基于模糊控制的有源濾波器直流母線電壓控制

針對(duì)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(wèn)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(duì)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(wèn)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(duì)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(lài)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(lài)被控對(duì)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(dòng)態(tài)過(guò)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(duì)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(dòng)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(duì)象中檢測(cè)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(wú)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(wú)源部分和負(fù)載并聯(lián)接入電網(wǎng)。

特定次諧波主要由無(wú)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(duì)象的諧波成分確定，無(wú)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(dòng)電路和主電路組成。工作原理是：通過(guò)檢測(cè)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(guò)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(dòng)態(tài)響應(yīng)加快、穩(wěn)態(tài)誤差變小，并且算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，滿(mǎn)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(lái)，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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shì)，基于專(zhuān)家知識(shí)建立的模糊規(guī)則庫(kù)，對(duì)系統(tǒng)作出迅速且有效的判斷，通過(guò)適當(dāng)加大或減小控制力度來(lái)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(duì)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(yǔ)言變量，定義語(yǔ)言值為：{Positive Big(PB)，Positive Medium(PM)，Positive Small(PS)，Zero(ZO)，Negative Small(NS)，Negative Medium(NM)，Negative Big(NB)}。
對(duì)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(wèn)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(yǔ)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(duì)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(guò)程如下：當(dāng)實(shí)際測(cè)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(cè)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(cè)量值和設(shè)定值正負(fù)偏差不大時(shí)，則根據(jù)實(shí)際測(cè)量值的變化趨勢(shì)來(lái)確定控制量的大小。模糊控制器規(guī)則如表1所示。