周凱杰,曹培培

(淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院,江蘇淮安 223300)

0 引言

近年來由于電力電子等非線性設備的大規(guī)模使用,在電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波,致使電網(wǎng)污染日益嚴重,并對人們的日常生產(chǎn)和生活造成了極大的危害,因此采取必要的措施來抑制諧波、提高電能質量已刻不容緩.而有源電力濾波器(APF)是公認的治理諧波污染的有效手段之一,對其進行研究具有非常重要的實際意義.有源電力濾波器(APF)是一種新型主動抑制諧波和補償無功的電力電子補償裝置,具有較好的動態(tài)性能,可以彌補傳統(tǒng)無源濾波器補償方法的不足.有源電力濾波器的原理是產(chǎn)生與諧波源諧波電流幅值相同、相位相反的補償電流,從而達到濾除諧波的目的.有源電力濾波器主要包括兩大部分[1]:指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路.其中補償電流發(fā)生電路由電流跟蹤控制電路、驅動電路、主電路(PWM變流器)三大部分組成.目前主電路主要采取電壓型、電流型逆變器兩種形式,目前電壓型應用最為廣泛.而電壓型逆變器直流側電壓是否保持穩(wěn)定直接關系到補償電流的跟蹤性能,因此對直流側電壓進行控制,保持其穩(wěn)定就很有必要了.傳統(tǒng)PI控制因其原理簡單,易于實現(xiàn),控制參數(shù)相互獨立等優(yōu)點被廣泛應用在APF直流側電壓控制上.但是由于PI控制過于依賴系統(tǒng)的精確的數(shù)學模型,魯棒性差,容易引起電流沖擊和電壓超調,導致系統(tǒng)過流和過壓保護動作,嚴重時會導致IGBT等器件的損壞[2].模糊控制的魯棒性強,對非線性、時變及純滯后的系統(tǒng)尤為適合.模糊控制直接采用語言控制規(guī)則,在設計中不依賴被控對象的數(shù)學模型,設計簡單,便于應用.

本文針對傳統(tǒng)PI控制策略的不足,設計了基于模糊控制的PI控制器.該策略以實際電壓與給定電壓的差值及其變化率為輸入量建立模糊控制規(guī)則,使PI參數(shù)根據(jù)要求進行自動調節(jié),并通過建立APF仿真模型進行驗證.

1 SAPF工作原理

并聯(lián)型有源電力濾波器(SAPF)原理圖如圖1所示,工作原理是通過電壓傳感器、電流傳感器檢測出相應的電壓和電流信號,然后通過指令運算單元計算出補償?shù)闹噶铍娏鱥c*,經(jīng)有源濾波器的控制器進行信號處理將其轉換成PWM指令,控制PWM變流器輸出與諧波電流大小相等、相位相反的補償電流ic,從而達到消除諧波,得到理想的正弦電流.APF作為一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置,它能對頻率和幅值都變化的諧波以及無功進行實時補償.

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器原理圖

圖2 PI控制原理圖

2 直流側電壓PI控制方法

在APF試驗中,發(fā)現(xiàn)直流側電壓的波動對補償效果影響非常顯著[3].為保持直流側電容電壓保持穩(wěn)定,目前往往采取PI控制方法對其進行控制,其具體做法如圖2所示.Ucr是直流側電壓的基準值,Ucf是實際電壓測量值,將兩者之間的差值送入PI控制器,經(jīng)PI控制器調節(jié)后得到調節(jié)信號ip,將該信號疊加到瞬時有功電流的直流分量上,然后通過指令運算單元得到相應的指令電流ic*,使得補償電流ic中包含某些基波有功電流分量,從而實現(xiàn)有源電力濾波器交流側和直流側的能量交換,控制實際電壓Ucf趨于基準值.

圖3 PI控制直流側電壓補償后A相電流圖

在直流側電壓采取PI控制方法下,經(jīng)過APF補償后A相電網(wǎng)電流波形如圖3所示,可見波形有很多毛刺,尤其在負載電流突變的時候存在許多尖峰,這些毛刺和尖峰主要由系統(tǒng)延時和電壓波動所致.在SAPF中,直流側電容用于為主電路提供穩(wěn)定的直流電壓.瞬時有功功率關系如圖4所示,Ps、Pl分別為電源側、負載側傳輸?shù)挠泄β?Pc則是SAPF傳輸?shù)挠泄β?根據(jù)圖中所標電流和功率流向,可知Ps=Pl-Pc,同理,平均值之間同樣滿足Ps*=Pl*-Pc*,根據(jù)瞬時功率守恒原則[4],不考慮SAPF損耗,可得:

式(1)中Udc為主電路直流側電容兩端電壓,因為為一個開關周期內直流側電容電壓變化值的平方差,即:

將式(2)代入Ps*=Pl*-Pc*可得:

設Us、Is為系統(tǒng)相電壓、相電流的幅值,則電源平均功率為P*s=UsIs/2,則有:

從式(4)、(5)表明,Is與存在線性關系,由此可知,直流側電壓的波動必然會導致系統(tǒng)電流的變化,給電網(wǎng)注入諧波,從而影響APF諧波補償?shù)男阅?所以直流側電壓控制選擇一個好的控制策略,能較好的改善APF的濾波效果.

圖4 SAPF能量關系圖

圖5 模糊PI控制原理圖

3 直流側電壓模糊PI控制器的設計

3.1 模糊PI控制器的原理

模糊PI控制原理如圖5所示,其中U是直流側電壓實際測量值與基準值的差值,dU是差值的變化量.模糊PI控制器在傳統(tǒng)PI控制的基礎上,應用模糊推理理論建立U、dU與PI參數(shù)Kp、Ki之間的函數(shù)關系,并根據(jù)直流側電壓U、dU的實際變化情況調節(jié)參數(shù)Kp、Ki,從而解決控制參數(shù)難以選擇的問題以及使被控對象獲得更好的穩(wěn)、暫態(tài)性能.

3.2 模糊PI控制器的設計

本文設計的模糊控制器,采用兩輸入兩輸出系統(tǒng).模糊控制器的兩個輸入分別為U、dU,兩個輸出量分別為Kp、Ki的修正值Kp、Ki.設定輸入量、輸出量的語言值集合設定為:狖NB,NS,NM,ZO,PS,PM,PB狚,分別代表負最大值、負中間值、負最小值、零值、正最小值、正中間值、正最大值.U、dU、Kp、Ki的隸屬函數(shù)如圖6所示.

圖6 輸入量與輸出量隸屬度

考慮到Kp、Ki這兩個參數(shù)對系統(tǒng)輸出特性存在影響[5],當偏差量|Δu|較大時,Kp、Ki應取較大,盡快消除偏差,加快系統(tǒng)的響應速度,這樣可以使系統(tǒng)的時間常數(shù)和阻尼系數(shù)減小,但不得過大,否則會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定;當|Δu|處于中等大小時,如果Δu與dΔu方向相同時,表明被控量偏離給定值,為了使系統(tǒng)減小超調,應取較大的Kp,此時可適當增加Ki,但不宜過大,而當Δu與dΔu方向相反時,表明被控量接近給定值,此時可逐漸減小Kp、Ki;當|Δu|較小時,應取適中的Kp、Ki保證系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)性能.綜上所述,并考慮到偏差變化率|dΔu|的影響,制定合理的模糊規(guī)則,如表1所示:

表1 模糊控制規(guī)則

仿真環(huán)境為:電源:三相對稱電源,幅值380V,頻率50Hz;諧波負載:三相可控硅整流橋,觸發(fā)延遲角30°,電阻50 Ω,電感280mH;直流側電容8 800 μ F,運行電壓為1000V,IGBT開關頻率為10KHz,交流側電感8 mH.設定初始參數(shù)Kp=12、Ki=0.5.模糊PI控制器仿真模型如圖7所示.

圖7 模糊PI仿真模型

在相同的仿真環(huán)境下,本文獨立的對傳統(tǒng)PI和模糊PI兩種直流側電壓控制方法進行仿真,仿真波形如下圖所示.圖7是傳統(tǒng)PI控制直流側電壓仿真波形,圖8是模糊PI控制直流側電壓仿真波形.比較兩個波形,可以看出模糊PI控制方法超調小,且響應時間短,比傳統(tǒng)PI控制優(yōu)越.

圖8 傳統(tǒng)PI控制直流側電壓仿真波形

圖9 模糊PI控制直流側電壓仿真波形

4 補償效果

直流側電壓模糊PI控制與傳統(tǒng)PI控制兩種方式下,補償后的電網(wǎng)電流波形及FFT頻譜分析圖如圖10所示.使用傳統(tǒng)PI控制方式,補償后電網(wǎng)電流總畸變率為9.07%,而通過模糊PI控制方式,電網(wǎng)電流總畸變率下降為3.32%,電流波形更接近正弦波,諧波含量大量減少,從而改善電能質量,降低諧波對電網(wǎng)的污染.

5 結論

針對傳統(tǒng)PI控制方法參數(shù)難以選擇的問題,設計了一種基于模糊控制的參數(shù)自整定模糊PI控制器,并利用MATALB軟件搭建Simulink仿真模型.仿真結果表明,直流側電壓模糊PI控制策略,相較于傳統(tǒng)PI控制方法,在控制直流側電壓穩(wěn)定以及補償電流效果上都有明顯的優(yōu)勢,具有較強的實用性.

圖10 補償后電網(wǎng)電流頻譜圖

[1] 王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998:39-82.

[2] 李智華,劉振,呂振彬.有源電力濾波器直流側電壓的模糊自適應控制[J].電源技術,2010,31(3):582-585.

[3] 周雪松,周永兵,馬幼捷.一種先進的APF補償電流自適應諧波檢測法[J].電力電子技術,2008,42(4):9-11.

[4] 王大志,葛帥,李俊,等.有源電力濾波器鎖相倍頻電路的參數(shù)優(yōu)化[J].電力電子技術,2010,44(12):14-17.

[5] 劉金琨.先進PID控制MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:115-128.