基于模糊控制的有源濾波器直流母線(xiàn)電壓控制

摘要針對傳統直流側電壓控制方法存在超調量和靜差較大的問(wèn)題，設計了混合有源電力濾波器控制系統，建立了混合有源電力濾波器的系統模型，并針對直流側電壓控制設計了一套雙模糊控制器，與傳統直流側電壓控制方法相比，該控制方法具有超調小、響應速度快、靜差較小的特點(diǎn)。仿真結果驗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；直流側電壓；雙模糊控制器

隨著(zhù)大量非線(xiàn)性負載接入電網(wǎng)，諧波問(wèn)題成為影響電力系統安全和電能質(zhì)量的重要因素，電力諧波治理日益受到重視。
目前對APF直流側電壓多是采用PI控制或模糊控制，但PI控制依賴(lài)于系統精確的數學(xué)模型，魯棒性差、易引起電壓超調和電流沖擊；模糊控制不依賴(lài)被控對象的數學(xué)模型，穩態(tài)效果也比常規的PI控制效果好，但缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)過(guò)程中直流側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。針對直流側電壓控制系統設計了一套雙模糊控制器。仿真結果表明，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)補償特性。

1 源濾波器工作原理及主電路設計
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(gè)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(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)單調諧濾波器組成，單調諧濾波器的調諧頻率根據被補償對象的諧波成分確定，無(wú)源濾波器可由5次、7次和11次單調諧濾波器構成。
APF系統由指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動(dòng)電路和主電路組成。工作原理是：通過(guò)檢測負載電流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償電流Ic，最終使Is趨近于正弦。

2 直流側電壓控制方法
2．1 雙模糊控制方法
本文提出了一種直流母線(xiàn)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，使系統的控制時(shí)間、動(dòng)態(tài)響應加快、穩態(tài)誤差變小，并且算法實(shí)現簡(jiǎn)單，滿(mǎn)足多種負載變化情況下的直流母線(xiàn)電壓控制要求。
雙模糊控制器的設計思想是從人工調節中的粗調、細調乃至微調中得到啟發(fā)而來(lái)，其結構如圖2所示。

雙模糊控制器的優(yōu)點(diǎn)在于可根據不同的運行條件，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控制精度的前提下，達到提高系統快速性、增強控制魯棒性的目的。
雙模糊控制器實(shí)現自動(dòng)切換的原則定義如下：當系統電容側電壓的變化量△U大于設定值e0時(shí)，由模糊控制器1進(jìn)行控制，可提高系統動(dòng)態(tài)響應性能；系統進(jìn)入穩態(tài)后，電容側電壓的變化量△U小于設定值e0時(shí)，切換到模糊控制器2進(jìn)行控制，可更好地消除系統的穩態(tài)誤差，提高系統的穩態(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控制精度的前提下，實(shí)現提高系統速度、增強控制魯棒性的目的。其中△U為直流母線(xiàn)電壓與其參考值的偏差。
模糊控制器根據每個(gè)采樣時(shí)刻的參數偏差及變化趨勢，基于專(zhuān)家知識建立的模糊規則庫，對系統作出迅速且有效的判斷，通過(guò)適當加大或減小控制力度來(lái)實(shí)現穩定控制。
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(xiàn)電壓控制原理的討論，選擇當前的電壓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(xiàn)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}
模糊控制規則是模糊控制的核心，因此，如何建立模糊控制規則成為一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。本文采用MAX-MIN推理合成規則，運用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。輸入變量e、ec和輸出變量u對應的隸屬度函數如圖3所示。

該模糊控制器調節過(guò)程如下：當實(shí)際測量值遠小于設定值時(shí)，則大幅增加控制量；當實(shí)際測量值遠大于設定值時(shí)，則大幅減小控制量；當實(shí)際測量值和設定值正負偏差不大時(shí)，則根據實(shí)際測量值的變化趨勢來(lái)確定控制量的大小。模糊控制器規則如表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：當實(shí)際測量值與設定值之間的偏差>e0時(shí)，選擇開(kāi)關(guān)自動(dòng)選取模糊控制器1，即進(jìn)行粗調，相反，實(shí)際測量值與設定值之間的偏差e0時(shí)，選擇開(kāi)關(guān)自動(dòng)選取模糊控制器2控制，即進(jìn)行微調。
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(guò)簡(jiǎn)單的歸一化計算，得到如上的輸入論域范圍。
同理，通過(guò)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(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的內部封裝如圖5和圖6所示。

2．2 常規PID控制方法
目前，在A(yíng)PF中對直流電壓的控制通常采用常規的PID控制，為比較兩種方法的控制效果，在Matlab／Simulink仿真環(huán)境里，結合并聯(lián)電壓型有源濾波器模型，建立直流側電壓的常規PID控制仿真模塊，如圖7所示，Uf是直流側總電壓的給定值，Ur是直流側總電壓的反饋值，兩者之差經(jīng)PID調節后得到調節信號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補充能量，將直流側電壓維持在給定值。

3 仿真分析
本文分別采用雙模糊復合控制方法與傳統PID控制方法對直流母線(xiàn)側電壓進(jìn)行控制，在Matlab／Simulink中對APF直流母線(xiàn)電壓進(jìn)行仿真實(shí)驗。仿真參數如下：(1)PID控制器參數為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(xiàn)參考電壓Uf=400 V。
仿真波形如圖8和圖9所示。

從仿真結果可以看出，雙模糊控制與常規的PI控制相比動(dòng)態(tài)響應更快、超調小、靜態(tài)誤差小，其控制效果明顯好于PID控制方法。

4 結束語(yǔ)
直流側電容電壓的控制關(guān)系到整個(gè)濾波器的性能。本文對傳統直流側電壓控制方法存在超調量和靜差較大的問(wèn)題進(jìn)行了分析，設計了雙模糊控制器，該控制方法減少了非線(xiàn)性因數的影響，使得系統超調量和靜差也有了較大的改善。同時(shí)該控制器具有超調小、響應速度快、靜差小的特點(diǎn)。仿真結果證明了該控制系統具有良好的控制效果。