基于模糊控制的有源濾波器直流母線電壓控制

摘要針對傳統(tǒng)直流側電壓控制方法存在超調量和靜差較大的問題，設計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，并針對直流側電壓控制設計了一套雙模糊控制器，與傳統(tǒng)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。仿真結果驗證了該方法的正確性和可行性。
關鍵詞混合有源電力濾波器；直流側電壓；雙模糊控制器

隨著大量非線性負載接入電網，諧波問題成為影響電力系統(tǒng)安全和電能質量的重要因素，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控制依賴于系統(tǒng)精確的數學模型，魯棒性差、易引起電壓超調和電流沖擊；模糊控制不依賴被控對象的數學模型，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(tǒng)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，從而使電網中只含有基波，達到濾波的目的。
并聯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?；旌闲虯PF以電壓型逆變器作為其有源部分，與無源部分和負載并聯接入電網。

特定次諧波主要由無源濾波器消除，采用多個單調諧濾波器組成，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，無源濾波器可由5次、7次和11次單調諧濾波器構成。
APF系統(tǒng)由指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅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。

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)的控制時間、動態(tài)響應加快、穩(wěn)態(tài)誤差變小，并且算法實現簡單，滿足多種負載變化情況下的直流母線電壓控制要求。
雙模糊控制器的設計思想是從人工調節(jié)中的粗調、細調乃至微調中得到啟發(fā)而來，其結構如圖2所示。

雙模糊控制器的優(yōu)點在于可根據不同的運行條件，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。
雙模糊控制器實現自動切換的原則定義如下：當系統(tǒng)電容側電壓的變化量△U大于設定值e0時，由模糊控制器1進行控制，可提高系統(tǒng)動態(tài)響應性能；系統(tǒng)進入穩(wěn)態(tài)后，電容側電壓的變化量△U小于設定值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△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，實現提高系統(tǒng)速度、增強控制魯棒性的目的。其中△U為直流母線電壓與其參考值的偏差。
模糊控制器根據每個采樣時刻的參數偏差及變化趨勢，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，通過適當加大或減小控制力度來實現穩(wěn)定控制。
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)則成為一個關鍵的問題。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。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(jié)過程如下：當實際測量值遠小于設定值時，則大幅增加控制量；當實際測量值遠大于設定值時，則大幅減小控制量；當實際測量值和設定值正負偏差不大時，則根據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。

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：當實際測量值與設定值之間的偏差>e0時，選擇開關自動選取模糊控制器1，即進行粗調，相反，實際測量值與設定值之間的偏差e0時，選擇開關自動選取模糊控制器2控制，即進行微調。
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的內部封裝如圖5和圖6所示。

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，結合并聯電壓型有源濾波器模型，建立直流側電壓的常規(guī)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PID調節(jié)后得到調節(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(tǒng)PID控制方法對直流母線側電壓進行控制，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(guī)的PI控制相比動態(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
直流側電容電壓的控制關系到整個濾波器的性能。本文對傳統(tǒng)直流側電壓控制方法存在超調量和靜差較大的問題進行了分析，設計了雙模糊控制器，該控制方法減少了非線性因數的影響，使得系統(tǒng)超調量和靜差也有了較大的改善。同時該控制器具有超調小、響應速度快、靜差小的特點。仿真結果證明了該控制系統(tǒng)具有良好的控制效果。