呂敬高
(海軍駐湖南地區(qū)軍事代表室,湖南湘潭411101)
目前,濾除諧波主要采用無源濾波器和有源電力濾波器(APF)兩種方式。APF與傳統(tǒng)的無源濾波器相比,具有響應速度快、補償效果好、能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)連續(xù)實時補償?shù)忍攸c[1~3]。因此,近年來,有源濾波器得到了迅速的發(fā)展。
現(xiàn)今對APF補償電流的控制方法大多采用傳統(tǒng)PI控制[4-5]。PI控制算法簡單、可靠性高,被廣泛應用于工業(yè)過程控制中。本文將廣義積分控制器引入APF電流跟蹤控制環(huán)節(jié)中。為了進一步改善傳統(tǒng)廣義積分控制器的動態(tài)性能,本文設計了一個模糊輔助調(diào)節(jié)器來動態(tài)調(diào)節(jié)廣義積分控制器的各個控制參數(shù),以同時獲得較好的動態(tài)性能與穩(wěn)態(tài)性能。并通過仿真與實驗驗證了此復合控制器性能。
圖1顯示了三相并聯(lián)APF系統(tǒng)的主電路結(jié)構圖。三相二極管整流橋作為非線性負載,一個電壓源的逆變器被用作APF。
圖1 三相APF系統(tǒng)結(jié)構圖
從圖1可以看出
因為并聯(lián)型有源濾波器主要是用來補償諧波電流的,而且現(xiàn)在主要的諧波污染是電流諧波,所以在本文中研究并聯(lián)有源濾波器性能的過程中,均假設電源電壓為理想的,即為單一頻率的正弦波形,可表示為:
其非線性負載中含有基波電流 iLf和諧波電流iLh?;娏鱥Lf又包含有功和無功兩部分,如式(3)所示。
式(5)表明,通過對 APF的合理控制,則三相電源只需提供負載的基波有功電流,從而達到補償負載無功和消除諧波的目的。
并聯(lián)型有源濾波器電流控制主要由兩大部分組成,即指令電流運算和補償電流發(fā)生部分,其中補償電流發(fā)生部分又包括電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路和主電路三部分。電流跟蹤控制器的性能直接決定有源濾波器諧波補償性能的好壞,如何設計一個好的電流控制器至關重要。
如果 APF采用對電源電流直接閉環(huán)控制的電流跟蹤策略,電流的參考信號是由多個頻率的諧波疊加而成的,為了進行APF的無差調(diào)節(jié),實現(xiàn)被控量對其給定參考值的無差跟蹤,需要將多個不同頻率諧波的廣義積分器并聯(lián)使用。事實上,根據(jù)工程實際的要求以及電網(wǎng)或者非線性負載的特征諧波次數(shù),APF只需要著重治理有限的幾次諧波。比如,諧波源為三相全控整流橋時,其特征諧波為6k±1次,APF一般只需要抵消5、7、11、13、17、19次諧波,電源電流就非常接近于基波正弦信號,所以控制器只要包含與這些諧波相對應的廣義積分器,再加上比例調(diào)節(jié)器,如圖2所示,APF就可以達到滿意的電流跟蹤性能。控制器傳遞函數(shù)如式(6)所示。
圖2中,uc是逆變器電壓參考,is是電源電流參考,is是電源電流。KP是比例系數(shù),Kih等是廣義積分器的系數(shù),h表示諧波次數(shù),ω1為基波角頻率,e是電源電流參考值和實際值的誤差,也即為ish。采用圖2所示的電流控制器,可以有選擇地對5、7、11、13、17、19次諧波進行補償。
圖2 APF廣義積分電流控制器
本小節(jié)將從閉環(huán)控制的角度,對廣義積分迭代控制算法的穩(wěn)態(tài)無差特性進行理論分析。
控制方式為:
GA的傳遞函數(shù)為:
定義諧波抑制比參數(shù)為:
此諧波抑制比可以很好地體現(xiàn)諧波抑制特性,表征諧波衰減率,將式(8)代入,可以看出γ(s)含有6個零點s=hω1(h=15,7,11,17,19),因此有:
即Ish(hω1)=0。因此,流入電網(wǎng)的h次諧波電流為零。
可以看出,電源電流諧波不含有h倍基波頻率的信號,即對這些頻率的信號,廣義積分控制器可以實現(xiàn)無差控制,能夠保證隨著時間的推移,APF的輸出電流對參考電流的跟蹤誤差趨進于零,從而使電源電流也接近于理想的狀態(tài)。
式(8)的波特圖如圖3所示,可以看出,指定次諧波都得到了有效地衰減。
為了提高控制系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性,本文將模糊控制理論引入到廣義積分控制器中來,設計了一個帶有自調(diào)整因子的輔助模糊控制器來根據(jù)系統(tǒng)的實際情況,實時地調(diào)整廣義積分控制器的控制參數(shù)。
圖3 電流諧波衰減率
在廣義積分 PI控制器中,比例環(huán)節(jié)的作用是成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號 e,偏差一旦產(chǎn)生,控制器立即產(chǎn)生控制作用,以減少偏差;如果比例控制參數(shù)Kp取值過大,會引起系統(tǒng)振蕩,破壞系統(tǒng)動態(tài)性能。因此,當偏差e較大時,為提高系統(tǒng)響應速度,Kp取大值;當偏差較小時,防止超調(diào)過大產(chǎn)生振蕩,Kp應減??;當偏差e很小時,為使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定,則Kp應繼續(xù)減小。同時也應考慮誤差變化率e˙的因素,當e和e˙同號時,輸出向偏離穩(wěn)定值的方向變化,此時應適當增大Kp;反之,適當減小Kp。
積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差,提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。它對誤差進行積分,對系統(tǒng)控制有一定的滯后作用,積分作用過強,會造成系統(tǒng)超調(diào)增大,甚至引起振蕩。在常規(guī)PI控制器中,為防止積分飽和,常將積分環(huán)節(jié)分離出來,當誤差減小至一定范圍時,才加入積分環(huán)節(jié)。因此,當誤差e較大時,為避免系統(tǒng)超調(diào),Ki取零值;當誤差e較小時,積分環(huán)節(jié)有效,隨著誤差e的減小而增大,以消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差,提高控制精度。
基于以上思想,本文所設計的改進廣義積分控制器的結(jié)構如圖4所示,它由廣義積分控制器和自調(diào)整模糊輔助控制器組成。使用自調(diào)整模糊輔助控制器主要是為了實現(xiàn)廣義積分 PI控制器參數(shù)的在線實時整定,即根據(jù)系統(tǒng)的采樣誤差信息,將誤差e和其導數(shù)˙輸入模糊控制器,通過模糊決策,在廣義積分PI參數(shù)預整定的基礎上實時在線整定PI參數(shù),以達到最佳控制效果。
所采用的模糊控制器為二維輸入、二維輸出控制器,根據(jù)不同的輸入e、計算出輸出ΔKi,從而實現(xiàn)廣義積分PI控制器參數(shù)的調(diào)整,如下所示:
圖4 基于模糊調(diào)整的廣義積分控制策略
在模糊控制系統(tǒng)中,模糊控制器的性能對系統(tǒng)的影響很大,而模糊控制器的性能在很大程度上又取決于模糊控制規(guī)則的確定及可調(diào)整性。在這里設計了一種在全論域范圍內(nèi)帶有自調(diào)整因子的模糊控制器,其通過引入一個可調(diào)的參數(shù)對控制規(guī)則進行調(diào)整,以便適應系統(tǒng)的復雜多變性。本文采用的帶有自調(diào)整因子的 Kp模糊調(diào)整規(guī)則可以表示為:
式中, 0 ≤ α0≤ αs≤1為常數(shù), α ∈[α0, αs]是自調(diào)整因子,N為量化等級常數(shù), E*與分別為e和˙的模糊量,ε為預置的閥值,即當誤差大于此閥值時,采用本文設計的調(diào)整策略對比例系數(shù)進行實時調(diào)整;而當誤差小于此閥值時,不再調(diào)整比例系數(shù),將其設置為預置值,以防止引起振蕩。
本文設計的積分系數(shù)Ki的模糊調(diào)整規(guī)則如式(12)所示:
式(12)所示調(diào)整規(guī)則是基于上述基本調(diào)整原理得出的,即當誤差非常大的時候,先不采用積分環(huán)節(jié),防止過大的超調(diào)及振蕩的發(fā)生;當誤差減小到一定程度后,投入積分環(huán)節(jié);當誤差減小到較小閥值時,此時應加強積分環(huán)節(jié)作用,并且為了防止頻繁調(diào)節(jié)帶來的抖動,將積分變動值設定為一個固定的值ζ,以更好地提高穩(wěn)態(tài)精度。
為驗證所設計的改進廣義積分控制策略的有效性,利用 MATLAB進行了仿真研究,并與傳統(tǒng)的PI控制進行了比較,主要從穩(wěn)態(tài)精度與動態(tài)響應速度兩個方面進行比較。仿真結(jié)果如圖 5、圖6所示,可以看出,在APF投入后,電網(wǎng)電流中的諧波分量得到了有效地補償。當負載電流在0.2 s發(fā)生變化時,基于本文所設計的改進廣義積分控制策略可以更好地、更為快速地跟蹤負載電流的變化,其動態(tài)響應速度與穩(wěn)態(tài)精度都比傳統(tǒng)的PI控制器高。
圖5 基于改進廣義積分控制器的系統(tǒng)響應曲線
圖6 基于傳統(tǒng)PI控制器的系統(tǒng)響應曲線
為了進一步驗證本文所提出的復合控制策略的正確性、有效性,本文在實驗平臺上面進行了實驗研究。實驗中諧波源為三相整流橋帶阻感負載,實驗波形采集用示波器為 Tektronix TDS 3032。實驗結(jié)果如圖7、圖8所示??梢钥闯?,在改進的廣義積分控制策略下,APF可以很好地補償諧波電流,并且可以在一個電網(wǎng)周期內(nèi)快速地跟蹤負載電流的變化,性能優(yōu)于傳統(tǒng)PI控制策略,與仿真結(jié)果相吻合。
圖7 改進廣義積分控制下APF投入前后的電源電流曲線
圖8 傳統(tǒng)PI控制下APF投入前后的電源電流曲線
控制系統(tǒng)是 APF的關鍵環(huán)節(jié),直接影響到APF的工作性能。APF的控制系統(tǒng)包括補償電流跟蹤控制和主電路直流側(cè)電容電壓控制。
對于電流跟蹤控制,本章設計了基于模糊自調(diào)整的廣義積分控制策略,通過模糊輔助調(diào)整器來動態(tài)調(diào)節(jié)廣義積分控制器的各個控制參數(shù),使此電流控制器可以同時獲得較好的動態(tài)性能及穩(wěn)態(tài)性能。
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