于樹海 余銳琴

（1.廣西電網(wǎng)公司北海供電局，廣西 北海 536000；2.南寧糖業(yè)股份有限公司，南寧 530000）

1 引言

電力系統(tǒng)中非線性負(fù)荷日益增多，使得大量的諧波和無(wú)功電流注入電網(wǎng)，引起了電網(wǎng)電壓閃變、頻率變化、三相不平衡和電網(wǎng)電壓波形的畸變。這種電能質(zhì)量的下降嚴(yán)重影響著供、用電設(shè)備的安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此，如何改善電能質(zhì)量，對(duì)供電系統(tǒng)的諧波與無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，是擺在人們面前的一個(gè)重要而有現(xiàn)實(shí)意義的課題。目前，公認(rèn)的在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型有源濾波器，可以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型有源濾波器（SAPF）還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

并聯(lián)型有源電力濾波器的基本原理如圖1所示。它是通過(guò)向電網(wǎng)注入與原有諧波和無(wú)功電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流，使電網(wǎng)的總諧波和無(wú)功電流為零，從而達(dá)到凈化電網(wǎng)的目的。因此如何控制逆變器產(chǎn)生與指令電流相同的補(bǔ)償電流是決定有源電力濾波器補(bǔ)償性能的一個(gè)重要方面。目前有源電力濾波器常用的電流控制方法有滯環(huán)電流控制、三角波調(diào)制控制、模糊控制、空間矢量調(diào)制控制、無(wú)差拍控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、單周控制、預(yù)測(cè)控制等。本文在對(duì)實(shí)際樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)并聯(lián)型有源電力濾波器，提出了一種更為先進(jìn)，控制跟蹤效果更為優(yōu)越的模糊自適應(yīng)PI控制的策略，并運(yùn)用Matlab仿真軟件對(duì)其進(jìn)行了大量仿真。

圖1 APF基本原理圖

2 基于模糊自適應(yīng)PI控制的SAPF

由于模糊邏輯控制有理想的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)過(guò)程參數(shù)的變化不敏感，具有很強(qiáng)的魯棒性，能夠克服非線性因素的影響，而自適應(yīng)PI控制具有易實(shí)現(xiàn)、精度高的特點(diǎn)，因此將兩者結(jié)合應(yīng)用于有源電力濾波器，必將保證補(bǔ)償電流信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地跟蹤指令電流信號(hào)的變化。

（1）模糊自適應(yīng)PI控制器的設(shè)計(jì)

為了滿足實(shí)時(shí)控制需要，將操作人員的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)總結(jié)為IF（條件）THEN（結(jié)果）形式的模糊規(guī)則，并把這些模糊規(guī)則及相關(guān)信息（如初始的PI參數(shù)）存入計(jì)算機(jī)中。根據(jù)APF的響應(yīng)情況，計(jì)算出采樣時(shí)刻電流與其給定量的偏差e及偏差的變化率ec，輸入控制器，運(yùn)用模糊推理進(jìn)行模糊運(yùn)算，即可得到該時(shí)刻的實(shí)現(xiàn)PI參數(shù)的最佳調(diào)整。模糊PI控制器主要由模糊化、模糊推理以及去模糊化組成。實(shí)際控制器設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

圖2 模糊PI控制器框圖

（2）基于模糊自適應(yīng)PI控制的SAPF

將模糊自適應(yīng)PI控制器應(yīng)用于傳統(tǒng)的有源電力濾波器，就構(gòu)成了基于模糊自適應(yīng)PI控制的SAPF。其原理圖如圖3所示。

圖3 SAPF的模糊自適應(yīng)PI控制原理

（3）電壓電流跟蹤控制電路的模糊PI控制的原理框圖如圖4、5所示

圖4 SAPF電壓的模糊PI控制原理框圖

圖5 SAPF跟蹤電流的模糊PI控制原理框圖

（4）模糊自適應(yīng)PI控制策略的SAPF參數(shù)設(shè)計(jì)

一個(gè)性能優(yōu)良的模糊控制器除了有一套行之有效的控制規(guī)則外，還必須合理選擇控制器的初始參數(shù)值和量化因子。在有源電力濾波器中，影響模糊PI控制器的最重要的因素就是KP、KI的初始值，選擇合適的參數(shù)可以使模糊PI控制器達(dá)到更好的控制效果。根據(jù)參數(shù)預(yù)整定的原則以及文獻(xiàn)[26]對(duì)PI參數(shù)的設(shè)計(jì)過(guò)程的詳細(xì)推導(dǎo)。最后可以把PI的參數(shù)設(shè)定在一個(gè)范圍，如下式所示：

影響模糊PI控制器的另外的參數(shù)就是輸入量和輸出量的比例因子。仿真證明，ke增大，對(duì)KP′、KI′的調(diào)節(jié)死區(qū)變小，但是KP、KI調(diào)節(jié)精度提高，若取得過(guò)大，會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間增大，而且較長(zhǎng)時(shí)間的超調(diào)會(huì)使KI持續(xù)減小到負(fù)值，PI控制器的積分項(xiàng)的調(diào)節(jié)作用由原來(lái)的減小誤差變?yōu)槭拐`差加大，此時(shí)，若比例作用不強(qiáng)，會(huì)使超調(diào)繼續(xù)加大，系統(tǒng)不能穩(wěn)定工作。kec減小，KP′、KI′的調(diào)節(jié)作用加強(qiáng)，KP、KI調(diào)整速度加快，但若取得過(guò)小，容易造成積分飽和，使系統(tǒng)超調(diào)加大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

在實(shí)際仿真中，取KP的值為0.95，KI的值為1.5。設(shè)定誤差E以及誤差變化率EC的基本論域分別為[-80，+80]，[-90，+90]，輸出控制量PI參數(shù)KP、KI的基本論域?yàn)閇-50，+50]。由公式

可以得到模糊控制器的比例因子ke=6/80=0.075，kec=6/90=0.067，kp=50/6＝8.33，ki=50/6=8.33。

3 基于模糊自適應(yīng)PI控制策略的SAPF仿真

根據(jù)上述模糊自適應(yīng)PI在有源電力濾波器中的控制原理，本節(jié)在此基礎(chǔ)上利用Matlab/Simulink仿真工具箱搭建了SAPF控制策略的仿真模型。仿真圖如圖6所示。

（1）參數(shù)設(shè)置

上述仿真模型中各參數(shù)如下：系統(tǒng)相電壓220V，系統(tǒng)線路阻抗0.3?＋0.3mH，變流器開關(guān)頻率16.2kHz，直流側(cè)電容5000μF，整流負(fù)載直流側(cè)電感80mH，電阻2?。

其中，模糊自適應(yīng)PI控制器的仿真結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖6 基于模糊自適應(yīng)PI控制策略的APF的系統(tǒng)仿真圖

圖7 模糊自適應(yīng)PI控制的仿真結(jié)構(gòu)

（2）電壓環(huán)的仿真

SAPF在運(yùn)行過(guò)程，若直流電壓有大的波動(dòng)，就可能會(huì)造成IGBT的開關(guān)時(shí)間紊亂，從而造成IGBT模塊過(guò)流被燒壞。所以直流側(cè)電壓的穩(wěn)定尤為重要。為了驗(yàn)證直流母線電壓的模糊自適應(yīng)PI控制方法的穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)性能，在負(fù)載突然增加和APF系統(tǒng)啟動(dòng)兩種情況下，分別采用模糊自適應(yīng)PI控制方法與傳統(tǒng)PI控制方法，在Matlab/Simulink中進(jìn)行了APF直流母線電壓控制的仿真實(shí)驗(yàn)。仿真波形如圖8所示。

圖8 SAPF運(yùn)行中突加負(fù)載時(shí)的直流母線電壓波形

從仿真圖8中可以看到，單純采用PI控制時(shí)，開始階段的電壓波動(dòng)比較劇烈，對(duì)IGBT模塊的沖擊影響較大，而采用模糊自適應(yīng)PI控制時(shí)，電壓上升到穩(wěn)態(tài)時(shí)的過(guò)程就比較平緩，減少了對(duì)IGBT模塊的沖擊，有利于實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)的平滑調(diào)節(jié)。

（3）電流環(huán)的仿真

電流環(huán)控制的好壞直接決定了補(bǔ)償電流波形的效果。由于電流環(huán)直接作用于PWM波形的發(fā)生階段，因此，電流的發(fā)生以及控制的穩(wěn)定性尤為重要。

圖9為負(fù)載電流突然增加時(shí)的仿真波形，在圖9中，最上面是A相負(fù)載電流波形，中間的是采用模糊自適應(yīng)PI控制方法得到指令電流以及補(bǔ)償電流信號(hào)。最下面的為采用模糊自適應(yīng)PI控制方法得到的補(bǔ)償后的電流波形。

圖9 采用模糊自適應(yīng)PI控制的SAPF運(yùn)行中突加負(fù)載時(shí)的電流波形

從圖9的仿真結(jié)果可以看出，采用模糊自適應(yīng)PI控制以后，指令電流與補(bǔ)償電流的波形從跟蹤效果上來(lái)看更加趨于平滑。而且在負(fù)載突然增加時(shí)，補(bǔ)償后的電流波形也能實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)節(jié)，跟蹤補(bǔ)償效果比較良好，能夠達(dá)到較為理想的波形。

（4）系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)仿真

取定直流側(cè)電壓Udc為800V，連接電感L取值為0.68mH以后，本小節(jié)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能進(jìn)行了仿真。仿真波形如圖10所示。

圖10中，從上至下依次為A相負(fù)載電流和補(bǔ)償后系統(tǒng)A相電流的波形、A相負(fù)載電流波形的THD以及補(bǔ)償后A相系統(tǒng)電流波形的THD。從仿真效果可以看出，除在變流器換相處存在尖峰電流沒有完全補(bǔ)償外，系統(tǒng)電流整體已接近。而且從諧波含量上來(lái)分析，補(bǔ)償后實(shí)際電流波形中的諧波含量已經(jīng)大大的減少，都符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的允許值。

圖10 系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行后的負(fù)載電流和系統(tǒng)電流波形以及諧波含量

4 結(jié)論

本文搭建了模糊自適應(yīng)PI控制的SAPF仿真模型，并對(duì)各種情況下的波形進(jìn)行了仿真，同時(shí)與普通PI控制進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果證明，采用模糊自適應(yīng)PI對(duì)SAPF進(jìn)行控制是可行的，是有效的。

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