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有源电力滤波器直流侧电压模糊PI控制.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.30M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 有源电力滤波器直流侧电压模糊 PI 控制 王超* （中国矿业大学信息与电气工程学院，江苏 徐州 221008） 摘要：传统的直流侧电压控制方法采用 PI 控制，本文推导了被控对象的传函、设计了 PI 控制器的参数；在此基础上应用模糊理论设计了基于模糊 PI 控制规律的模糊控制器，该控 制器可以根据工况实时调整比例、积分系数，克服了 PI 控制器无法克服的非线性因素。仿 真结果验证了模糊 PI 控制器的有效性和优越性，具有更好的动、静态性能。 关键词：电气工程；有源电力滤波器；直流侧电压控制；模糊 PI 控制 中图分类号：TM71 Fuzzy PI Control of DC Voltage in Active Power Filter Wang Chao JiangSu XuZhou 221008) (School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Abstract: PI controller is widely used in DC-link voltage control in active power filter. In this paper, the transfer function is derived and PI control parameters are designed. Based on which, a fuzzy PI controller is designed with the theory of fuzzy control. Then the control parameters can be timely changed according to the operating condition if the fuzzy PI controller is used, overcoming the bad influence of nonlinearity, which the conventional PI control can not overcome. The efficiency and superiority of fuzzy PI control is verified by the simulation results. And the system has a better dynamic and static performance with the fuzzy PI control. Keywords:electrical engineering; active power filter; DC voltage control; fuzzy PI control 5 10 15 20 25 30 0 引言 随着电力电子装置的广泛应用，电网的无功功率和谐波污染问题日益严重。有源电力滤 波器（APF）作为一种有效的谐波和无功功率补偿方式，在国内外引起了广泛关注[1-5]。 目前 APF 主要是基于电压型逆变器，其直流侧电容电压的稳定性决定了 APF 的补偿性 能[6]。通常对直流侧电压控制采用 PI 控制[7,8]，PI 控制是目前应用最广泛、最成熟的方法。 但 PI 控制也存在自身的缺点：依赖于系统精确的数学模型，设计的参数无法根据实际工况 进行调整，对于 APF 这样的多变量、非线性系统显然无法取得很满意的控制效果。而模糊 控制不依赖被控对象的精确数学模型，能够克服系统非线性因素的影响，动态响应快，鲁棒 性强。近年来，模糊控制在 APF 中得到了越来越多的应用[9]。文献[10]设计了直流电压模糊 控制器，由控制器的输出直接得到电源电流参考值的幅值信息，仿真和实验验证了该方法的 优越性，但控制器结构较复杂，实际系统中难以实现。 35 本文首先设计了 PI 控制器，在此基础上设计了基于模糊 PI 控制规律的模糊 PI 控制器， 克服了系统非线性因素的不良影响，使系统获得了良好的动、静态性能。 1 直流侧电压 PI 控制 40 APF 交流侧与直流侧是否进行能量交换取决于瞬时有功功率，PI 控制的基本原理是： PI 控制器调节直流电压的误差信号，叠加到瞬时有功电流的直流分量上，使得补偿电流包 含一定的基波有功电流分量，致使 APF 直流侧与交流侧交换能量，从而达到调节电容电压 i 的目的[1]。图 1 所示为包含直流侧电压控制环节的 d 作者简介：王超，（1988-），男，硕士研究生，有源电力滤波器. E-mail: wangchao19880911@163.com i− 谐波检测法[11]的原理图。 q - 1 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn ae be ce Lai Lbi Lci abc/αβ di qi abc/dq diΔ + + di dq/abc i = q 0 dcU − + dcU * afi+ bfi+ cfi+ i 图 1 包含直流侧电压控制的 d i− 法原理图 q i Fig. 1 d i− method including DC voltage control q 1.1 数学模型的建立 hai hbi hci i + Δ 根据图 1，设 af 的附加量，且： 、 、 表示 PI 控制器输出 diΔ 经坐标反变换后基波正序分量中 i + Δ fc i + bf Δ = ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ i ⎤Δ + a f ⎥ i + Δ ⎥ bf ⎥ i + Δ ⎦ cf i +Δ = 即 a f C dq/abc i Δ⎡ d ⎢ 0 ⎣ ⎤ ⎥ ⎦ = 2 3 i Δ d ⎡ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣ sin sin ( ) t sin ω ( ) t 2 / 3 ω π − ( ) t 2 / 3 + ω π ⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦ (1) 2 / 3 sin( ⋅ iω d ) t ⋅ Δ ，设 IΔ 为其对应的有效值，则有 I Δ = 1 2 ⋅ ( 2 3 ⋅Δ = ) i d 1 3 i Δ d (2) E I Δ 指令电流中附加的基波有功电流导致 APF 与电网交换有功能量， IΔ 提供的有功功率为 3P Δ = 其中 E 为电源相电压的有效值。 假设这部分有功功率作用 tΔ 时间并造成直流侧电压大小为 dcUΔ 的变化，则有 (3) (4) (5) (6) dcU 表示，则有 (7) P t Δ ⋅Δ = 1 2 U C( dc + Δ U dc 2 ) − 1 2 C( U dc 2 ) 式（3）代入式（4）得 1 2 忽略 3 2 dc 2 ) dc dc dc ) + Δ C C( UΔ U Δ U U ，上式整理得 E I t Δ ⋅ Δ = 1 C( 2 C U Δ dc t Δ tΔ → 时，认为 dcU 为稳定值，用 * U d dc t d E I 3 Δ U E I 3 Δ U * dc C = = 0 dc 当 对上式进行拉氏变换得 - 2 - 45 50 55 60
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 65 = * dc E 3 s U C U s ( ) dc I s ( ) Δ 整理得 U s ( ) dc i s ( ) Δ d 则被控对象传函为 E 3 s U C * dc = G s ( ) = E 3 s U C * dc (8) (9) (10) 1.2 PI 控制器参数设计 70 PI 控制的直流侧电压控制框图如图 2 所示，它将 di 当作扰动处理。 dcU * + − Disturbance diΔ + + dcU ( )G s 75 图 2 直流侧电压控制框图 Fig. 2 Diagram of DC voltage control + ，其中被控对象为 G s ( ) ，直流电压给定 * dc U = ，本文取电源电压 = E 3 s U C * dc ，计算得 ( ) 56 1000V G s = s 。 令 PI 控制器传函 G s ( ) k i s , 直流侧电容C 6800μF = = k PI p 220V E = 则电压环开环传函为 k i s G s ( ) = + k 开 p ⎛ ⎜ ⎝ ⋅ ⎞ ⎟ ⎠ 56 s (11) 80 根据文献[12]中高阶系统频域指标与时域指标的关系： σ = 0.16 0.4( + 1 sin γ 1) − t s = πK 0 ω c (12) (13) 其中，σ为超调量， st 为调节时间，γ为相角裕度， 0K 为常系数，且 K 0 = + 2 1.5( 1 sin γ 1) 2.5( − + 1 sin γ 2 1) − ，35 o 90γ≤ ≤ o (14) 85 考虑到电压环速度不需太快，综合考虑超调量和调节时间，令 16%σ= t = ， s 0.33s ， 计算得 90γ= 有如下等式： o ， 0 K = ， c ω = 2 3Hz ；同时为保持通带带宽，令 PI 环节转折频率为 0.6Hz， - 3 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn (15) 开 1 = (j G ω⎧ c ⎪ k ⎨ p ⎪ k ⎩ ) 1 2π 0.6 × k = 0.33 计算得 p = i k = ， i 1.24 。 90 2 直流侧电压的模糊 PI 控制 本文设计的模糊控制器采用模糊 PI 控制规律，即模糊控制器的输出值分别作为 PI 控制 器比例系数和积分系数的调整因子，动态修改比例系数和积分系数。参照图 1 模糊 PI 控制 器的计算公式为： Δ i d n = α K U Δ p + K β i dc n n Δ∑ n = 0 U dc n (16) 95 式中， dniΔ 为第 n 次采样时控制器的输出， dcnUΔ 为第 n 次采样时的电压偏差， pK 、 iK 为 PI 控制器的比例、积分参数，α、β为模糊控制器输出的调整因子。其控制原理图如 图 3 所示。 dcUΔ + − pK iK α β dcU * dcU dcUΔ d UΔ dc diΔ + + × × 1 s 图 3 模糊 PI 控制框图 Fig. 3 Diagram of fuzzy PI control dc 设输入量 dcUΔ 和 下面进行模糊控制器的设计。首先，选定模糊输入量和输出量。本文所设计模糊控制器 采用两输入两输出系统，两输入分别为电容电压与参考信号的差值及其变化量 dcUΔ 和 d UΔ ，输出量分别为参数 pK 、 iK 的调整因子α和β。 d UΔ 的离散论域均为{ ，模糊取 PL,PM,PS,O,NS,NM,NL ，其中 PL,PM,PS,O,NS,NM,NL 分别表示正 } 6, 5, 4, 3, 2, 1,0,1,2,3,4,5,6 − − − − − − dc 值均定义为{ 大、正中、正小、零、负小、负中、负大。 } 设输出量α离散论域为{ 1,2,3,4,5,6 ，模糊取值定义为{ } S,MS,M,ML,L,VL ，其中 100 105 110 S,M S,M ,M L,L,VL 分别表示小、中小、中、中大、大、巨大。 设输出量β离散论域为{ 0,1,2,3,4,5 ，模糊取值定义为{ O,S,MS,M,ML,L 分别表示为零、小、中小、中、中大、大。 } O,S,MS,M,ML,L ，其中 } } 输入量输出量的模糊取值所对应的隶属函数如图 4 所示。 - 4 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn dcUΔ α d UΔ dc β 115 120 125 图 4 输入量和输出量的隶属度函数 Fig. 4 Membership functions of input data and output data d UΔ dc d UΔ dc 其次，确定模糊控制规则，比例和积分调整因子α、β的值由模糊语言规则确定。当偏 小时，α取值大些以增加比例作用，提高响应速度；当 差 dcUΔ 大，偏差变化率 dcUΔ 小 都 大时，β取小些以防止积分饱和，减小超调；当 dcUΔ 为最大时，β值取零，取消积分作用； 当 dcUΔ 和 小时，β取大些，以增强积分作用，提高系统消除稳态误差能力。模糊 控制规则如表 1 所示： 大时，α取值小些以减弱比例作用，减少超调量；当 dcUΔ 和 d UΔ dc d UΔ dc 表 1 模糊控制规则 Tab. 1 Table of fuzzy control rules 差值 dcUΔ 取值 模糊控制器输出值 /α β 差值变化量 d UΔ dc 取值 NL NM NS O PS PM PL ML/O M/S S/MS S/M S/MS M/S ML/O L/O L/S ML/S MS/M S/ML MS/M ML/S ML/MS M/M M/ML M/M ML/MS L/O L/S VL/MS L/M ML/ML MS/L ML/ML L/M VL/MS L/S ML/MS M/M MS/ML M/M ML/MS L/S L/O ML/S MS/M S/ML MS/M ML/S L/O ML/O M/S S/MS S/M S/MS M/S ML/O NL NM NS O PS PM PL 最后，确定模糊推理和去模糊化的方法。本文的模糊推理方法采用最大—最小法，即总 130 条件的满足度由子条件的隶属函数的最小值求出，而总的模糊关系式各模糊关系的累加；去 模糊化方法采用面积中心法得到模糊控制器的两个输出量。模糊控制器的两个输出量α、β - 5 -
    中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 分别对 PI 控制参数 pK 、 iK 进行在线整定，即实现了模糊 PI 控制对直流侧电压进行控制的 目的。 3 仿真比较分析 基于对以上两种直流侧电压控制方法的研究，建立三相四线制有源电力滤波器的仿真模 型，运用 MATLAB 进行仿真，比较两种控制方法的控制效果，验证本文所设计的模糊 PI 控制方法的有效性与优越性。该滤波系统采用d-q 法进行谐波电流检测[11]，采用广义积分器 跟踪补偿电流[13]，采用 3D-SVPWM 调制技术[14]控制逆变器输出。 主要仿真参数：（1）电源侧相电压为 220V，工频 50Hz，忽略电源阻抗；（2）负载（即 谐波源）为不对称负载，一个三相桥式不控整流电路和三个单相桥式不控整流电路，三相阻 感负载为 R=2Ω ， L=100mH ；单相负载 A 相为 R=0.3Ω L = 20mH ，B 相和 C 相为 R=1.5Ω ，L=100mH ；（3）APF 主电路采用四桥臂结构，IGBT 开关频率为 5 kHz ，输出 电感为 L =1.8mH ，直流侧电容C=6800μF 。依据第 1 节内容，PI 控制和模糊 PI 控制仿 真中 pK 和 iK 的初始值： p ， i 1.24 K = k = 0.33 。 s 135 140 145 直流侧电压控制的仿真过程分两个阶段：第一阶段：0-0.2s，关闭所有 IGBT 脉冲，利 用 IGBT 的反向并联二极管对直流侧电容进行充电，让电容电压达到一稳定值；第二阶段： 0.2s-1.5s，投入控制器。 由图 5、图 6 可以看出，模糊 PI 控制效果明显优于 PI 控制，前者有更快的响应、更小 的超调，且能更快地达到稳态值。 1200 1000 v / c d U 800 600 400 200 0 0 1200 1000 V / c d U 800 600 400 200 0 0 150 155 0.25 0.50 0.75 t/s 1.00 1.25 图 5 PI 控制下直流电压响应 Fig. 5 Response of DC voltage with PI controller 1.50 0.25 0.50 1.00 1.25 图 6 模糊 PI 控制下直流电压响应 Fig. 6 Response of DC voltage with fuzzy PI controller 0.75 t/s - 6 - 1.50
    中国科技论文在线 4 结论 http://www.paper.edu.cn 本文推导了直流电压控制环中被控对象的传函，设计了 PI 控制器参数；针对 PI 控制的 不足，设计了基于模糊 PI 控制规律的模糊 PI 控制器，动态调整比例、积分系数；仿真结果 表明，本文所设计的模糊 PI 控制器相比于常规的 PI 控制器，具有更好的动、静态性能。 [参考文献] (References) [1] 王兆安，杨君等. 谐波抑制和无功功率补偿[M]．北京：机械工业出版社，1998． [2] Singh B，Al-Haddad K，Chandra A．A review of active power filters for power quality improvement[J]．IEEE Trans on Industrial Electronics，1999，46(5)：960-971． [3] EI-Habrouk M, Darwish K, Mehta P. Active power filters:a review[J]. IEEE Proceeding Elecric Power Application, 2000, 147(5): 403-413. [4] 陈国柱，吕征宇，钱照明. 有源滤波器的一般原理与应用[J]. 中国电机工程学报，2000，20(9)：17-21. [5] 顾建军，徐殿国，刘汉奎. 有源滤波技术现状及发展[J]. 电机与控制学报，2003，7(2)：126-132. [6] 丁凯，陈允平，王晓峰，等. 并联型有源电力滤波器直流侧电压的相关问题探讨[J]. 电力电子技术，2002， 38(10)：27-29. [7] 杨君，王兆安，邱关源. 并联电力有源滤波器直流侧电压的控制[J]. 电力电子技术，1996(4)：48-51. [8] 张剑辉，姜齐荣，赵地，等. 有源滤波器控制器的设计[J]. 电网技术，2002，26(10)：48-52. [9] 李士勇. 模糊控制、神经控制和智能控制论[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1996. [10] Jain S K，Agrawal P．Fuzzy logic control shunt active power filter for power quality improvement[J]．IEEE Proc. Electr. Power Apply，2002，149(5)：317-328． [11] 孙驰，魏光辉，毕增军. 基于同步坐标变换的三相不对称系统的无功与谐波电流的检测[J]. 中国电机 工程学报，2003，23(12)：43-48. [12] 胡寿松. 自动控制原理简明教程[M]. 北京：科学出版社，2003. [13] 武健，徐殿国，何娜. 基于优化滑动傅立叶分析和广义积分的并联有源滤波器控制策略[J]. 电网技术， 2005，25(17)：50-52. [14] 戴宁怡，黄民聪，唐净，等. 新型三维空间矢量脉宽调制在三相四线系统中的应用[J]. 电力系统自动 化，2003，27(17)：45-49. [15] 常鹏飞，曾继伦，王彤，等. 三相四线制有源电力滤波器直流侧电压控制方法[J]. 电力系统自动化， 2005，29(8)：75-78. [16] 何娜，武健，徐殿国. 模糊控制理论及其在有源电力滤波器中的应用的研究综述[J]. 电气传动，2006， 36(7)：3-6. [17] 陈仲. 并联型有源电力滤波器实用关键技术的研究[D]. 杭州：浙江大学，2005. 160 165 170 175 180 185 190 - 7 -
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