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(廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性電力設(shè)備的應(yīng)用日趨廣泛，給電力系統(tǒng)帶來的的諧波污染也日趨嚴重。諧波不僅降低了電網(wǎng)電能的質(zhì)量而且還有可能導(dǎo)致電力設(shè)備的故障。APF能夠?qū)χC波進行動態(tài)的跟蹤和補償[1-3]。

補償電流發(fā)生電路是并聯(lián)型有源電力濾波器的重要組成部分之一。補償電流發(fā)生電路由電壓型PWM逆變器、驅(qū)動電路以及電流跟蹤控制電路組成，為保證其有良好的補償電流跟隨性能，必須將逆變器的直流側(cè)電壓控制為一個適當?shù)闹礫1]。

滑模變結(jié)構(gòu)控制可以對滑動模態(tài)進行設(shè)計且與對象參數(shù)及擾動無關(guān)，這就使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動的不靈敏、無需系統(tǒng)在線辨識、物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點[4]。采用滑?？刂圃O(shè)計三相三線制有源電力濾波器的電壓環(huán)可以改善系統(tǒng)的魯棒性和補償效果。

2 APF的工作原理

三相三線制并聯(lián)型APF的主電路拓撲如圖1所示，APF通過諧波檢測電路檢測并分離諧波成分，在通過PWM電壓型逆變器產(chǎn)生于諧波大小相等方向相反的補償電流補償至電源端，以達到抑制諧波的功能。

圖1 并聯(lián)型有源電力濾波器主電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

3 APF控制策略

目前，APF直流側(cè)控制的傳統(tǒng)方法是在控制過程中采用比例積分調(diào)節(jié)器進行直流電壓控制，通過APF裝置的PI升壓控制將APF直流側(cè)電容電壓值調(diào)節(jié)到參考值處。PI參數(shù)整定方法有自適應(yīng)比例積分微分控制)、模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及非線性控制方法[5-8]，但該類方法難以在APF裝置中實際應(yīng)用。

圖2 APF電壓控制原理圖

4 APF軟啟動方法

由于APF的交流側(cè)電感很小，直流側(cè)僅有電容，如果不經(jīng)過軟啟動過程直接將較大的指令電流送給指令跟蹤控制電路，將產(chǎn)生很大的沖擊電流，導(dǎo)致直流側(cè)電壓波動較大，對功率器件的安全造成威脅[9]。

針對APF啟動的特點提出軟啟動方法和步驟：

(1)預(yù)充電過程

開始啟動時，電容處于無電壓狀態(tài)，將利用IGBT的反并聯(lián)二極管經(jīng)限流電阻將直流側(cè)電容電壓預(yù)沖至電網(wǎng)線電壓的峰值537V左右。當直流側(cè)電壓檢測回路檢測到電壓達到一定值時,將限流電阻切除。

(2)電壓環(huán)軟啟動

切除限流電阻后，啟動電壓環(huán)對直流側(cè)電壓進行控制。直流側(cè)電壓與電壓給定值還有很大的差距，傳統(tǒng)的PI控制在容易引起直流側(cè)電壓的超調(diào)，進而損害IGBT和直流側(cè)電容。而采用滑?？刂拼?zhèn)鹘y(tǒng)的PI控制，可以實現(xiàn)APF直流側(cè)電容電壓平穩(wěn)上升并達到給定值且無電壓超調(diào)。

5 基于趨近律的準滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計

滑模變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計一般分為兩步：①設(shè)計切換平面s(x)，使它具有良好的漸進穩(wěn)定性和動態(tài)性。②設(shè)計滿足達到條件的滑模動態(tài)控制律u±(x)，從而使在切換面上形成滑模動態(tài)[4]。

其中切換面s(x)應(yīng)滿足滑動模態(tài)的達到條件即：

(1)

滑動模態(tài)的達到條件僅能保證系統(tǒng)的狀態(tài)在有限的時間內(nèi)到切換面而無法限制趨近運動的軌跡和速度，這樣就會產(chǎn)生很大的抖振。

采用趨近律的方法設(shè)計滑?？刂破鳎瑢ο到y(tǒng)向切換面的運動過程進行控制可以有效的減小抖振。

(2)

則有狀態(tài)方程為：

(3)

(4)

設(shè)滑模切換面方程為：

(5)

式中c為常數(shù)。

采用冪次趨近律設(shè)計滑?？刂破鳎瑑绱乌吔?，趨近速度由運動點到切換面的距離的大小決定，距離越遠速度越大，隨著運動點距離切換面越來越近，趨近速度逐漸減小，保證了快速趨近的同時削弱了抖振。冪次趨近律：

(6)

式中,ε和α都是常數(shù);slaw為滑模控制器的趨近律，其中sgn(s)為符號函數(shù)。

由于變結(jié)構(gòu)控制是一種非線性控制，在實際應(yīng)用中，由于存在著時間的延遲和空間的滯后等限制因素，往往使光滑的滑動模態(tài)疊加了抖動。從相軌跡的方面來說，理想的滑模動態(tài)控制是使在一定范圍內(nèi)的狀態(tài)點都被吸引至切換面。設(shè)置一領(lǐng)域使一定范圍內(nèi)的狀態(tài)點都被吸引至領(lǐng)域內(nèi)，通常將此領(lǐng)域稱為邊界層。它可以使控制系統(tǒng)在邊界層內(nèi)進行結(jié)構(gòu)變換而不需要再切換面上進行變換，從而削弱了抖動。這采用飽和函數(shù)sat(s)代替控制律中的符號函數(shù)sgn(s)：

(7)

式中q=1/Δ，Δ為大于0的常數(shù)。

將式(5)～(7)帶入式(3)中得到準滑動控制控制律：

(8)

6 仿真結(jié)果與分析

采用滑?？刂茣rAPF直流側(cè)的電壓如圖3所示。由圖3可知在0～0.18s期間直流側(cè)電容由IGBT的反并聯(lián)二極管進行充電。當0.18s時電容充電到接近線電壓峰值500V，切除限流電阻，解鎖IGBT驅(qū)動脈沖，引入控制器對電容繼續(xù)充電。滑?？刂葡碌碾娙蓦妷荷仙骄彛覠o電壓過沖，在0.3s左右到達700V，并保持不變，實現(xiàn)了軟啟動。

APF的電源側(cè)a相補償前(后)電流如圖4所示，由圖4可以看出在0.18s投入滑?？刂破骱蟮碾娫磦?cè)a相電流側(cè)電流接近正弦，且過沖電流很小，實現(xiàn)軟啟動。

圖3 APF直流側(cè)電壓

圖4 APF的電源側(cè)a相補償前(后)電流

APF的電源側(cè)a相補償前后電流頻譜如圖5所示，由圖可看出補償后電源側(cè)的諧波率由補償前的25.22%下降到3.42%，補償效果良好，驗證了滑模控制在并聯(lián)型有源電力濾波器直流側(cè)的應(yīng)用的可行性。

圖5 APF的電源側(cè)a相補償前(后)電流頻譜

7 結(jié)語

根據(jù)傳統(tǒng)的直流側(cè)電壓控制策略所存在的不足，結(jié)合滑?？刂评碚撛O(shè)計了一種基于趨近律的滑模控制方法用于實現(xiàn)軟啟動和提高魯棒性。通過MATLAB對該控制算法進行了仿真，驗證了該算法的正確性，仿真結(jié)果表明該控制算法具有良好的動態(tài)性能及魯棒性，并且實現(xiàn)了軟啟動，抑制了過沖電壓。相對于傳統(tǒng)的控制方法有著更加優(yōu)越的性能。