王林川，金媛媛

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

隨著電力電子技術(shù)不斷發(fā)展，各種變頻器、開關(guān)電源和電抗器不斷應(yīng)用于生活、生產(chǎn)中，這些電力電子器件使得電網(wǎng)的正常運(yùn)行受到影響，妨礙了儀器儀表的正常工作，增加了電力元件的損耗。因此，有源濾波技術(shù)已經(jīng)變得非常重要，而其中的關(guān)鍵技術(shù)，電流跟蹤控制技術(shù)更是研究的熱難點(diǎn)。目前，常用的電流跟蹤控制方法主要有以下幾種:瞬時(shí)值比較控制，單周控制，變結(jié)構(gòu)控制，空間矢量PWM控制和智能控制等等［1］。

筆者在學(xué)習(xí)了各種控制方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)瞬時(shí)值比較控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，補(bǔ)償電流時(shí)，實(shí)時(shí)跟蹤性能好但屬于有差控制，存在不能消除系統(tǒng)的靜態(tài)誤差的局限性;針對(duì)模糊自適應(yīng)遞推積分PI控制雖然可以實(shí)現(xiàn)無差拍控制，但在誤差較大時(shí)，系統(tǒng)需要較長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，有響應(yīng)速度慢這樣一個(gè)缺點(diǎn)，提出了一種新型控制方法，該方法綜合了上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，提高了有源電力濾波器的穩(wěn)態(tài)性的同時(shí)也保證了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

1 APF的模型

本文研究的APF為三相并聯(lián)型［2］，其模型如圖1所示。

2 復(fù)合控制算法研究分析

2.1 瞬時(shí)值比較控制

瞬時(shí)值比較控制又叫滯環(huán)控制，它雖然具有控制簡(jiǎn)單，電流響應(yīng)很快，不需要載波等優(yōu)點(diǎn)，但是它是有差控制，對(duì)于精度要求較高的控制系統(tǒng)不能滿足要求［3］，其原理框圖見圖2。

圖1 APF模型

圖2 瞬時(shí)值比較控制原理圖

2.2 模糊遞推積分PI控制

傳統(tǒng)的PI控制器包含比例和積分環(huán)節(jié)，對(duì)于直流量和變化緩慢的變量可以較好的做到無差控制，但是不適合用在周期變化的變量上。遞推積分PI控制克服了上面的不足，但是對(duì)于控制器參數(shù)Kp，Ki的整定依舊比較困難，它們一經(jīng)確定下來，便無法在控制過程中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)修改。為了解決該問題，筆者將模糊控制與遞推積分PI控制并聯(lián)在一起復(fù)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了Kp，Ki的在線實(shí)時(shí)修改。模糊遞推積分PI控制的原理框圖如圖3所示。

圖3 模糊自修改遞推積分PI控制原理圖

指令電流ic*與APF產(chǎn)生的實(shí)際補(bǔ)償電流ic之差e以及它的變化率de/dt經(jīng)過模糊控制器將它們模糊后，然后按照模糊規(guī)律進(jìn)行推算，再將推算得到的模糊值還原成確定值，最后得到實(shí)時(shí)修改變量ΔKp，ΔKi，將他們與遞推積分控制中的參數(shù)Kp，Ki相疊加得到整定后的系統(tǒng)參數(shù)K'p，K'i。K'p變大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度會(huì)變快，靜態(tài)誤差會(huì)變小，但是當(dāng)K'p很大時(shí)，雖然系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，穩(wěn)態(tài)誤差也很小，但是系統(tǒng)會(huì)超調(diào)，失去穩(wěn)定性;而K'p過小時(shí)，雖然超調(diào)量較小，也會(huì)引起系統(tǒng)響應(yīng)過慢，靜態(tài)誤差過大這些問題。K'i變大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會(huì)變小，而當(dāng)K'i過大時(shí)雖然能做到無差控制，然而系統(tǒng)會(huì)失穩(wěn)，當(dāng)K'i過小時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差會(huì)很大，不能滿足控制精度上的要求。因此，參數(shù)K'p，K'i的選擇非常重要［4］。

針對(duì)以上情況，筆者將上面這兩種方法結(jié)合在一起，取長(zhǎng)補(bǔ)短，提出了一種復(fù)合控制的方法［5］。

2.3 復(fù)合控制

其原理框圖如圖4所示。

圖4 復(fù)合控制原理框圖

ic*和ic相減得到的誤差信號(hào)經(jīng)比較器處理，當(dāng)發(fā)現(xiàn)誤差信號(hào)的絕對(duì)值 e(k)大于H值時(shí)，滯環(huán)電流控制器投入工作，迅速減小誤差，當(dāng)誤差減小到 e(k)小于H值時(shí)，模糊遞推積分PI控制器開始作用于誤差信號(hào)，消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。其控制規(guī)則也可用如下的式子表示出來:

上式中，0，1為滯環(huán)電流控制的輸出量，uF-PI(k)為模糊遞推積分PI控制的輸出量，H為比較器的輸入環(huán)寬值，該值的大小設(shè)置非常關(guān)鍵，它直接關(guān)系到哪個(gè)控制器投入使用。因?yàn)檫f推積分PI控制器，模糊控制器一經(jīng)設(shè)計(jì)好，該控制比較器相應(yīng)的最優(yōu)環(huán)寬值也就確定下來了。若H值設(shè)置得過大，假如大于最大誤差信號(hào)，則滯環(huán)電流控制器就根本起不到作用，只有模糊遞推積分PI控制器在單獨(dú)工作著，系統(tǒng)需要較長(zhǎng)時(shí)間以后才達(dá)到穩(wěn)定，響應(yīng)性能非常差;若H值設(shè)置的過于小時(shí)，則主電路開關(guān)器件通斷頻繁，損耗很大并且原本也屬于模糊遞推積分PI控制范圍的誤差現(xiàn)在通過滯環(huán)比較器進(jìn)行控制，不能做到無差控制。筆者結(jié)合APF的實(shí)際結(jié)構(gòu)，顧及系統(tǒng)控制精度和響應(yīng)速度兩方面要求，經(jīng)多次仿真實(shí)驗(yàn)，得出0.68Δic為最合適的環(huán)寬值，即0.68倍最大誤差信號(hào);并對(duì)兩個(gè)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

2.3.1 模糊控制器的設(shè)計(jì)

(1)將輸入的確定值變成模糊值。將仍是確定值的輸入量e，de/dt和輸出量ΔKpΔKi均設(shè)定為一個(gè)具有 NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)七個(gè)模糊子集的模糊集合，隸屬函數(shù)采用具有高靈敏度的三角函數(shù)，然后設(shè)置相應(yīng)的模糊論域，基本論域。

(2)模糊推理。輸入量e，de/dt經(jīng)模糊后，按照Mamdani模糊參數(shù)控制規(guī)律作出模糊決策。本文采用表1，表2所示的模糊規(guī)律。

(3)反模糊化。將模糊輸出量通過重心法進(jìn)行去模糊還原，最后得到ΔKp和ΔKi［6］。

2.3.2 遞推積分PI控制器的設(shè)計(jì)

遞推積分PI控制是基于傳統(tǒng)的PI控制，在每個(gè)周期的N個(gè)采樣點(diǎn)處分別對(duì)電流的跟蹤誤差信號(hào)進(jìn)行采樣積分。其增量式子為:

u(k)為k時(shí)刻控制器的輸出量，e(k)為k時(shí)刻的跟蹤誤差，c為對(duì)k/N取整的整數(shù)值。

遞推積分PI控制器按如下兩個(gè)過程來設(shè)計(jì):

(1)遞推積分PI控制參數(shù)的預(yù)設(shè)定:本文采用Ziegler-Nichols法來得到Kp，Ki。

(2)Kp，Ki參數(shù)的修改:將經(jīng)模糊控制得到的修改量ΔKp，ΔKi與上一步設(shè)定的Kp，Ki相疊加，得到修正后參數(shù) K'p，K'i，即 K'p=Kp+ ΔKp，K'i=Ki+ ΔKi。

經(jīng)模糊自修改遞推積分PI控制后，得到最終控制規(guī)律表達(dá)為:

表1 參數(shù)ΔKp模糊控制規(guī)則

表2 參數(shù)ΔKi模糊控制規(guī)則

3 仿真驗(yàn)證分析

為了驗(yàn)證上述控制算法，筆者利用Matlab/Simulink搭建仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:電源電壓有效值為220 V，頻率為50 Hz，三相不控帶R型負(fù)載，R為100 Ω，直流側(cè)電壓Udc為700 V，電容為1 100 F，主電路出口電感為10 mH，設(shè)定的環(huán)寬值H設(shè)為0.68倍最大誤差信號(hào)，預(yù)整定參數(shù)Kp設(shè)為0.6，Ki設(shè)為0.01，Matlab/Fuzzy工具箱中的FIS編輯器的兩個(gè)輸入變量，輸出變量的模糊域均設(shè)為［-6，6］，比例因子設(shè)為6/5和3/2，量化因子設(shè)為1/2和5/6，輸入變量e的基本論域設(shè)為［-5，5］，de/dt的基本論域設(shè)為［-4，4］，輸出變量 ΔKp的基本論域?yàn)椋?3，3］，ΔKi的基本論域設(shè)為［-5，5］，輸入變量，輸出變量設(shè)為含有NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB七個(gè)語言變量的模糊集合，隸屬函數(shù)采用三角函數(shù)，推理規(guī)則采用Mamdani法，采用重心反模糊法，仿真時(shí)間設(shè)為0.2 s，采用Variable-Step仿真得到如下仿真結(jié)果。

上圖中，圖5為未投入APF之前的電網(wǎng)電流，從該圖中可看出電網(wǎng)嚴(yán)重畸變。圖6，7，8為投入APF后分別采用復(fù)合控制，瞬時(shí)值比較控制，模糊遞推積分PI控制的仿真結(jié)果，其中的(a)均表示電網(wǎng)電流，(b)均表示指令電流信號(hào)與實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)之間的誤差，從各(a)圖中可看出，經(jīng)過以上三種控制后，電流波形均得到明顯的改善，但有一定的差別。筆者從響應(yīng)速度，控制精度兩方面來對(duì)以上三種控制方法做比較分析。

圖5 投入APF前電網(wǎng)電流

圖6 復(fù)合控制仿真結(jié)果

比較以上各(b)圖，會(huì)發(fā)現(xiàn)采用復(fù)合控制和瞬時(shí)值比較控制的系統(tǒng)，響應(yīng)速度較快，其系統(tǒng)誤差在0.01 s及以后幾乎穩(wěn)定不變，而采用模糊遞推積分PI控制的系統(tǒng)誤差要在0.015 s及以后才能穩(wěn)定下來。

比較以上各(a)圖，可看出采用復(fù)合控制和模糊遞推積分PI控制的系統(tǒng)，其控制精度較高，幾乎為標(biāo)準(zhǔn)正弦波，而采用瞬時(shí)值比較控制的電網(wǎng)電流具有較大的“毛刺”，它們含有較多的諧波。

根據(jù)以上分析，該復(fù)合控制方法集模糊遞推積分PI控制與瞬時(shí)值比較控制的優(yōu)點(diǎn)于一身，不僅動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較快而且穩(wěn)態(tài)控制精度較高。

圖7 瞬時(shí)值比較仿真結(jié)果

圖8 模糊遞推積分PI控制仿真結(jié)果

4 結(jié) 語

本文針對(duì)滯環(huán)電流控制和模糊遞推積分PI控制各自的優(yōu)缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，提出了一種復(fù)合控制方法，經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明，該復(fù)合控制不僅能提高APF系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，還能提高其靜態(tài)精度，理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)均驗(yàn)證該復(fù)合控制方法是有效可行的［7］。

［1］盧秀和，徐銘.基于瞬時(shí)無功功率的高次諧波電流檢測(cè)方法研究［J］.電測(cè)與儀表，2010，47(2):9-12.

［2］呂敬，高寧，蔡旭.基于復(fù)合控制的并聯(lián)型有源濾波器的仿真研究［J］.高壓電器，2012，48(3):81-85.

［3］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

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［5］伍海軍，申群太.一種并聯(lián)有源電力濾波器的復(fù)合控制方法研究［J］.變頻器世界，2011:105-108.

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