基于模糊自適應(yīng)PI控制的有源電力濾波器

1、自動(dòng)化與儀器儀表年第期（總第期）基于模糊自適應(yīng)PI控制的有源電力濾波器郭麗娜，史祥翠，邵亞娟（1鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鄭州，454000）（2河南理工大學(xué) 焦作，454150）摘要：分析了有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)及其工作原理，提出了模糊自適應(yīng)控制策略并應(yīng)用到有源電力濾波器直流側(cè)母線電壓的控制中。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該控制算法提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性。關(guān)鍵詞：有源電力濾波器；模糊自適應(yīng)控制；直流側(cè)電壓控制Abstract: This paper primarily introduced the structure and working principle of Active Power Filte

2、r.It put forword a controler of fuzzyself-adaptive PIand being used in DC-side voltage control of Active Power Filter.The simulation results indicate that the fuzzy self-adaptive PI controler improved dynamic performance and interference immunity of the system.Key words: Active Power Filter ; self-a

3、daptive fuzzy PI control ; DC-side voltage control中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（）引言隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展以及電力電子器件的廣泛應(yīng)用，電網(wǎng)中的諧波污染也日趨嚴(yán)重，如何減少和消除諧波成為了當(dāng)前亟待解決的一個(gè)問題。目前，消除諧波的方法主要有濾波器和有源電力濾波器（，）。由于濾波器存在補(bǔ)償性能較差，難以對(duì)變化的無功功率和諧波進(jìn)行有效補(bǔ)償?shù)娜秉c(diǎn)，使得對(duì)響應(yīng)速度快、能夠動(dòng)態(tài)連續(xù)實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)牡难芯亢蛻?yīng)用越來越廣泛。為了保證能夠正常工作，且能夠?qū)崟r(shí)精確的補(bǔ)償諧波電流，須使逆變器直流側(cè)有足夠大的電容電壓且能保持穩(wěn)定。所以，直流電容的

4、選擇及其電壓的穩(wěn)定控制對(duì)于電壓源型逆變器功率電路的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，并且直接影響到的補(bǔ)償效果和安全性。通常對(duì)直流側(cè)電壓采用控制，但是控制往往需要建立精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性較差，容易引起電壓超調(diào)和電流沖擊，導(dǎo)致系統(tǒng)過壓、過流保護(hù)動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致等期間的過流擊穿。模糊控制器是近年發(fā)展起來一種的新型控制器，它的優(yōu)點(diǎn)是不要求掌握受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，而根據(jù)人工控制規(guī)則組織控制決策表，然后由該表決定控制量的大小。本文將模糊控制與控制兩者結(jié)合起來，提出了模糊自適應(yīng)控制，并將其應(yīng)用在對(duì)的控制中，揚(yáng)長(zhǎng)避短，既具有模糊控制靈活而適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，又具有控制精度高的特點(diǎn)，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性。仿真結(jié)果

5、證明了所提出的控制策略的有效性。有源電力濾波器的構(gòu)成及工作原理圖為最基本的有源電力濾波器（）系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。圖中，表示交流電源，負(fù)載為諧波源。有源電力濾波器系統(tǒng)由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路（由電收稿日期:2011-02-22作者簡(jiǎn)介:郭麗娜(1981-),女,碩士,主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電氣傳動(dòng)。流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電流三部分構(gòu)成）組成。其中，指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出補(bǔ)償電流對(duì)象電流中的諧波和無功等電流分量；補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出的補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。主電路目前均采用變流器。圖并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成工作原理：檢測(cè)補(bǔ)償

6、對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制原理由上面的分析可知，補(bǔ)償電流發(fā)生電路是并聯(lián)型有源電力濾波器的一大組成部分。補(bǔ)償電流發(fā)生電路由逆變器及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路、電流跟蹤控制電路組成，直流母線上接的直流電容器作為逆變器的電源，為逆變器工作提供能量。逆變器正常工作需要穩(wěn)定的直流母線電壓，但是由于靠電容器提供能量，電容器的端電壓必然受電網(wǎng)和負(fù)載的能量狀況影響，隨著工況的變化而變化。為使逆變器有良好的補(bǔ)償電流跟隨性能，必須將逆變器直流

7、側(cè)電容的電壓控制為一個(gè)適當(dāng)?shù)闹?。目前?duì)于直流母線電壓的控制主要有兩種措施：（）為直流側(cè)電容再提供一個(gè)單獨(dú)的直流電源?；谀：赃m應(yīng)控制的有源電力濾波器郭麗娜，等這種方法雖然能夠達(dá)到控制直流側(cè)電容電壓的目的，但需要另設(shè)一套電路，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。（）對(duì)開關(guān)器件進(jìn)行適當(dāng)控制，根據(jù)能力平衡原則，通過在指令電流中附加有功分量，使直流母線電容直接從交流側(cè)獲取能量，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流母線電壓的控制。本文針對(duì)第二種方法對(duì)主電路直流母線電壓的控制方法進(jìn)行研究，提出了模糊自適應(yīng)控制策略。模糊自適應(yīng)控制原理模糊自適應(yīng)控制器通過對(duì)調(diào)節(jié)器參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。以誤差和誤差變化作為輸入，可以滿足不同時(shí)刻

8、的和對(duì)參數(shù)自整定的要求。利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊控制器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。（）的模糊規(guī)則表（）的模糊規(guī)則表圖模糊自整定控制器控制方案原理Udc直流母線電壓實(shí)際測(cè)量值；Uref直流母線電壓參考值；W(s)電壓環(huán)傳遞函數(shù)模糊控制器以誤差和誤差變化為輸入變量，以控制量的變化為輸出變量。選擇模糊輸入變量為當(dāng)前的電壓和參考電壓的偏差（）及其變化率（），選擇其模糊子集為，子集中元素分別代表負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大。下面以誤差為例講述隸屬函數(shù)的確立，模糊子集采用形隸屬函數(shù)，模糊子集采用形隸屬形函數(shù)，其他采用三角形隸屬函數(shù)，誤差的隸屬函數(shù)如圖所示。模糊輸出變量為電網(wǎng)注

9、入主電路的有功電流控制量（）。模糊輸入變量和模糊輸出變量的基本關(guān)系如下式（）：（）上式中，Kp為控制器的比例系數(shù)，Ki為控制器的積分系數(shù)，為直流母線電壓與其參考值的偏差。根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)代入下式（）中計(jì)算：（）在線運(yùn)行過程中，控制系統(tǒng)通過對(duì)模型邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運(yùn)算，完成對(duì)參數(shù)的在線自校正，其工作流程圖如圖所示。仿真結(jié)果及分析本文選用二極管整流橋作為非線性負(fù)載，利用對(duì)控制方法進(jìn)行仿真。有源電力濾波器投入前和投入后的穩(wěn)態(tài)電網(wǎng)側(cè)電流波形如圖和圖所示。從圖可以看出，有源電力濾波器投入后，電網(wǎng)側(cè)電流波形由畸變波

10、形改善為正弦波。從圖可以看出，采用模糊參數(shù)模糊自整定是找出Kp、Ki兩個(gè)參數(shù)與和之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過不斷檢測(cè)和，根據(jù)模糊控制原理來對(duì)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修改，以滿足不同和時(shí)對(duì)控制參數(shù)的不同要求，而使被控對(duì)象有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。參數(shù)的整定必須考慮到在不同時(shí)刻兩個(gè)參數(shù)的作用以及相互之間的互聯(lián)關(guān)系。模糊自整定是在算法的基礎(chǔ)上，通過計(jì)算當(dāng)前系統(tǒng)誤差和誤差變化，利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。當(dāng)誤差大或較大時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)?，F(xiàn)將作者在操作過程中要遇到的各種可能出現(xiàn)的情況和相應(yīng)的控制策略匯總為模糊

11、規(guī)則表。將系統(tǒng)誤差和誤差變化率變化范圍定義為模糊集上的論域，圖誤差、的隸屬函數(shù)自動(dòng)化與儀器儀表年第期（總第期）自適應(yīng)控制策略使得有源電力濾波器的直流母線電壓維持在一個(gè)穩(wěn)定值。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該控制算法提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾性，使整個(gè)濾波裝置具有較好的濾波效果。圖采用模糊自適應(yīng)控制的直流母線電壓波形圖在線自校正工作流程圖結(jié)論本文針對(duì)傳統(tǒng)的控制方法的不足，結(jié)合模糊控制原理，提出了模糊自適應(yīng)控制策略，并將其應(yīng)用在有源電力濾波器直流側(cè)母線電壓的控制上。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種控制策略能夠大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，很好的滿足了有源電力濾波器直流側(cè)母線電壓的控制要求，使電網(wǎng)電流的諧波含量大幅度降低。參考

12、文獻(xiàn)陶永華等新型控制系統(tǒng)及其應(yīng)用北京：機(jī)械工業(yè)出版社，王兆安，楊君，劉進(jìn)軍諧波抑制與無功功率補(bǔ)償（第版）圖有源電力濾波器投入前網(wǎng)側(cè)電流波形北京：機(jī)械工業(yè)出版社，殷志柱，楊煜普等基于雙閉環(huán)模糊控制的有源電力濾波器電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，（）劉金琨先進(jìn)控制及其仿真北京：電子工業(yè)出版社，李智華，劉振等有源電力濾波器直流側(cè)電壓的模糊自適應(yīng)控制電源技術(shù)，（）圖有源電力濾波器投入后網(wǎng)側(cè)電流波形（上接第68頁）調(diào)整型孔板與目前流量?jī)x表標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)件僅為和中列舉的幾種：孔板、噴嘴、文丘里管、臨界流文丘里噴嘴等。調(diào)整型孔板目前雖然未被列入標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)件，但由于它具備無需較長(zhǎng)的安裝直管段、測(cè)量精度高、重復(fù)性好等重要特點(diǎn)，已被美國(guó)煤氣協(xié)會(huì)（），美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（）及美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化組織（）批準(zhǔn)用于精密流量測(cè)量。通過實(shí)驗(yàn)分析調(diào)整型孔板的流出系數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)調(diào)整型孔板也是遵循中標(biāo)準(zhǔn)孔板流出系數(shù)隨雷諾數(shù)變化趨勢(shì)的。結(jié)束語隨著調(diào)整型孔板流量測(cè)量的理論研究和應(yīng)用技術(shù)的日趨成熟，調(diào)整型孔板的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。調(diào)整型孔板的出現(xiàn)是節(jié)流式差壓流量計(jì)發(fā)展生命力強(qiáng)盛的