基于模糊控制的有源滤波器直流母线电压控制

摘要 针对传统直流侧电压控制方法存在超调量和静差较大的问题，设计了混合有源电力滤波器控制系统，建立了混合有源电力滤波器的系统模型，并针对直流侧电压控制设计了一套双模糊控制器，与传统直流侧电压控制方法相比，该控制方法具有超调小、响应速度快、静差较小的特点。仿真结果验证了该方法的正确性和可行性。
关键词 混合有源电力滤波器；直流侧电压；双模糊控制器

    随着大量非线性负载接入电网，谐波问题成为影响电力系统安全和电能质量的重要因素，电力谐波治理日益受到重视。
    目前对APF直流侧电压多是采用PI控制或模糊控制，但PI控制依赖于系统精确的数学模型，鲁棒性差、易引起电压超调和电流冲击；模糊控制不依赖被控对象的数学模型，稳态效果也比常规的PI控制效果好，但缺点是动态过程中直流侧电压控制效果不理想。
    文中建立了混合有源电力滤波器的仿真模型。针对直流侧电压控制系统设计了一套双模糊控制器。仿真结果表明，该有源电力滤波器能有效地消除谐波电流，同时具有良好的动态补偿特性。

1 源滤波器工作原理及主电路设计
    混合有源滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网中只含有基波，达到滤波的目的。
    并联混合有源电力滤波器原理如图1所示。该混合型有源电力滤波器由LC无源滤波器和有源滤波器两部分组成。混合型APF以电压型逆变器作为其有源部分，与无源部分和负载并联接入电网。

    特定次谐波主要由无源滤波器消除，采用多个单调谐滤波器组成，单调谐滤波器的调谐频率根据被补偿对象的谐波成分确定，无源滤波器可由5次、7次和11次单调谐滤波器构成。
    APF系统由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路组成。工作原理是：通过检测负载电流Ll和电网电流Is，提取其中的谐波电流，进而通过控制三相半桥逆变器输出与谐波电流相反的补偿电流Ic，最终使Is趋近于正弦。

2 直流侧电压控制方法
2．1 双模糊控制方法
    本文提出了一种直流母线电压的双模糊控制方法。该方法由于控制器的增多，改善了控制性能，使系统的控制时间、动态响应加快、稳态误差变小，并且算法实现简单，满足多种负载变化情况下的直流母线电压控制要求。
    双模糊控制器的设计思想是从人工调节中的粗调、细调乃至微调中得到启发而来，其结构如图2所示。

    双模糊控制器的优点在于可根据不同的运行条件，自动在模糊控制器1和模糊控制器2之间切换，这样可以在保证系统控制精度的前提下，达到提高系统快速性、增强控制鲁棒性的目的。
    双模糊控制器实现自动切换的原则定义如下：当系统电容侧电压的变化量△U大于设定值e0时，由模糊控制器1进行控制，可提高系统动态响应性能；系统进入稳态后，电容侧电压的变化量△U小于设定值e0时，切换到模糊控制器2进行控制，可更好地消除系统的稳态误差，提高系统的稳态性能。其中，控制器的切换由电压误差△U及其误差变化率du／dt控制。该控制器在保证系统控制精度的前提下，实现提高系统速度、增强控制鲁棒性的目的。其中△U为直流母线电压与其参考值的偏差。
    模糊控制器根据每个采样时刻的参数偏差及变化趋势，基于专家知识建立的模糊规则库，对系统作出迅速且有效的判断，通过适当加大或减小控制力度来实现稳定控制。
    模糊控制器一般只有偏差和偏差变化率两个输入量，本文中的双模糊控制器均采用二维模糊控制器，该模糊控制器以误差和误差的变化率为输入变量，以控制量的变化为输出变量。由前文对有源电力滤波器直流母线电压控制原理的讨论，选择当前的电压Ur与参考电压Uf的偏差△U及其变化率(du／dt)为模糊输入变量，选择模糊输出变量为电网注入APF主电路的有功电流控制量Ud(△ip)。
    模糊输入量e、ec定义为
    e(k)=Uf-Ud(k)
    ec(k)=e(k)-e(k-1)            (1)
    其中，Ur(k)为k时刻的直流母线电压；Uf为参考电压。
    在其论域上取7个语言变量，定义语言值为：{Positive Big(PB)，Positive Medium(PM)，Positive Small(PS)，Zero(ZO)，Negative Small(NS)，Negative Medium(NM)，Negative Big(NB)}。
    对模糊输入e、ec和输出u进行模糊化，建立模糊子集为e，ec，u={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}
    模糊控制规则是模糊控制的核心，因此，如何建立模糊控制规则成为一个关键的问题。本文采用MAX-MIN推理合成规则，运用IF-THEN形式的模糊条件语句，单元集模糊化重心法，输入变量和输出变量均采用三角形隶属度函数。输入变量e、ec和输出变量u对应的隶属度函数如图3所示。

    该模糊控制器调节过程如下：当实际测量值远小于设定值时，则大幅增加控制量；当实际测量值远大于设定值时，则大幅减小控制量；当实际测量值和设定值正负偏差不大时，则根据实际测量值的变化趋势来确定控制量的大小。模糊控制器规则如表1所示。

    双模糊控制器仿真模型如图4所示。
    其中控制器的切换由误差的大小控制，切换原则如下：当实际测量值与设定值之间的偏差>e0时，选择开关自动选取模糊控制器1，即进行粗调，相反，实际测量值与设定值之间的偏差<e0时，选择开关自动选取模糊控制器2控制，即进行微调。
    将模糊控制器1输入e，ec的变化范围定义为模糊集上的论域e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}实际的电压误差e和ec的范围是[200，400]可以通过简单的归一化计算，得到如上的输入论域范围。
    同理，通过归一化计算将模糊控制器2的输入e，ec的变化范围定义为模糊集上的论域e，ec={-3，-2，-1，0，1，2，3}，实际的电压误差e和ec的范围是[0，200]。
    模糊控制器1和模糊控制器2的内部封装如图5和图6所示。

2．2 常规PID控制方法
    目前，在APF中对直流电压的控制通常采用常规的PID控制，为比较两种方法的控制效果，在Matlab／Simulink仿真环境里，结合并联电压型有源滤波器模型，建立直流侧电压的常规PID控制仿真模块，如图7所示，Uf是直流侧总电压的给定值，Ur是直流侧总电压的反馈值，两者之差经PID调节后得到调节信号Ud，它叠加到有功电流ip上。使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功分量，使电网向有源电力滤波器的直流侧补充能量，将直流侧电压维持在给定值。

3 仿真分析
    本文分别采用双模糊复合控制方法与传统PID控制方法对直流母线侧电压进行控制，在Matlab／Simulink中对APF直流母线电压进行仿真实验。仿真参数如下：(1)PID控制器参数为Kp=1，Ki=0.1，Kd=10。(2)模糊控制器的误差、误差的变化的量化因子和输出的比例因子K1=0.03 K2=0．2，K3=30，K4=0．02，K5=0．3，K6=25。(3)电容器容量为6 800μF，直流母线参考电压Uf=400 V。
    仿真波形如图8和图9所示。

    从仿真结果可以看出，双模糊控制与常规的PI控制相比动态响应更快、超调小、静态误差小，其控制效果明显好于PID控制方法。

4 结束语
    直流侧电容电压的控制关系到整个滤波器的性能。本文对传统直流侧电压控制方法存在超调量和静差较大的问题进行了分析，设计了双模糊控制器，该控制方法减少了非线性因数的影响，使得系统超调量和静差也有了较大的改善。同时该控制器具有超调小、响应速度快、静差小的特点。仿真结果证明了该控制系统具有良好的控制效果。