并联型有源滤波器自适应模糊控制方法研究pdf

ELECTRICDRIVE2014V01．44No．11电气传动2014年第44卷第11期并联型有源滤波器白适应模糊控制方法研究汪玉凤1，张东宇1，苏佰超2(1．辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁葫芦岛125105；2．国网辽宁省电力有限公司阜新供电公司，辽宁阜新123000)摘要：针对并联型有源滤波器滞环电流控制方法控制精度与开关损耗易受到滞环宽度的影响的问题，提出了一种自适应模糊滞环电流控制方法。首先通过模糊控制和锁相环技术得到参考电流，然后使用自适应模糊控制器产生指令电流。该控制方法使滞环带宽随着逆变器参数的变化自动调整，使其开关频率保持稳定，从而有效减少开关损耗，显著提高了有源滤波器的补偿性能。仿真和实验结果验证了所提方法的正确性和可行性。关键词：有源滤波器；自适应模糊控制；滞环电流控制；电能质量中图分类号：TM713文献标识码：AAdaptive-fuzzyCurrentControlMethodforShuntActivePowerFilterWANGYu-fen91，ZHANGDong-yul，SUBai-cha02(1．FacultyofElectricalandControlEngineering，LiaoningTechnicalUniversity，Huludao125105，Liaoning，China；2．FuxinPowerSupplyCompany旷LiaoningPowerCo．，Ltd．，Fuxin123000，Liaoning，China)Abstract：Toovercometheshortcomingofhysteresiscurrentcontrolmethodofshuntactivepowerfilter，whichincludeaccuracyandswitchinglossesarevulnerabletotheimpactofthehysteresiswidth，anoveladaptive-fuzzyhysteresiscurrentcontrollerforshuntactivepowerfilterwasproposed．Thereferencecurrentwasgeneratedbyphase—lockedlooptechnologyandfuzzycontroller，thecompensationinstructioncurrentsWaspresentedbyadaptive-fuzzycontroller．Thiscontrolmethodmakesthehysteresisloopbandwidthadjustedtochangesoftheinverterparametersautomatically，whichmaintainsthestabilityoftheswitchingfrequency，SOastoeffectivelyreducetheswitchingloss，andimprovedthecompensationperformanceoftheactivepowerfiltersignificantly．Simulationandexperimentalresultsverifythecorrectnessandfeasibilityoftheproposedmethod．Keywords：activepowerfiher(APF)；adaptive—fuzzycontrol；hysteresiscurrentcontrol；powerquality统PI，PID控制方法简单易行，但是在控制过程中1引言需要有精确的数学模型，且在参数或负载扰动较电力系统中非线性电力电子设备的大量使大的场合会有很大的误差；模糊控制方法的系统用为社会创造了巨大的经济效益，但也不可避免鲁棒性强，无需复杂的数学模型，尤其适合于对产生了电力系统电能质量问题。目前，有源电力非线性、时变及纯滞后系统的控制乜]。滞环电流滤波器(APF)被公认为是治理谐波、改善电能质控制方法动态响应快、结构简单、鲁棒性强b]，因量最有效的手段之一。在APF装置的设计中，逆此得到了广泛的应用。但由于三相电流存在相变器电流控制器的设计至关重要n]，本文着重于间影响，会导致开关频率波动，造成稳态误差偏电流控制器的控制方法研究。大，且容易产生谐振H]。为克服以上缺点，文献目前，逆变器电流的控制方法有很多种，传[5]提出了自适应滞环控制，但仍存在因工作频基金项目：国家自然科学基金项目(53107076)作者简介：汪玉凤(1962一)，女，博士生导师，教授，Email：wy'[e-mail]33万方数据电气传动2014年第44卷第11期率过高引起的开关损耗过大的问题[5|。为了解决以上问题，提出一种电流自适应模糊滞环控制方法，该方法可以通过精确控制滞环带宽来解决开关损耗问题。结合模糊控制和锁相环同步技术得到所需的参考电流，经过自适应模糊控制器处理后为APF提供适当的开关控制信号，有效提高了有源滤波器的性能。2SAPF拓扑结构及其工作原理SAPF结构如图1所示。谐波源为非线性负载，由三相二极管不可控整流桥外接电感LL与电阻RL串联的阻感性负载组成。系统的控制部分主要由有自适应模糊滞环电流控制器、参考电流计算模块以及模糊控制器组成。本文APF控制系统包括两个部分：1)参考电流的获取，通过锁相环与模糊控制器来实现；2)PwM开关控制信号由自适应模糊滞环电流控制器产生。电网砭I聂一rl匕iI：，f：l模糊控制器荔甄磊丽函订。一_j图1有源滤波器系统拓扑结构Fig．1ThetopologystructureofAPF3有限控制集模型预测控制3．1参考电流的获取参考电流通过锁相环技术(PLL)和模糊控制器从含有谐波的电网中提取，这种检测方法只需检测电压源逆变器电压和电流，不需要检测负载电流和补偿电流，减少了传感器的使用。3．1．1锁相环电路锁相环是一个能够跟踪输入信号相位的闭环自动控制系统。其作用是将电路输出的时钟与其外部的参考时钟保持同步。当参考时钟的频率或相位发生改变时，锁相环会检测到这种变化，并且通过其内部的反馈系统来调节输出频34汪玉凤，等：并联型有源滤波器自适应模糊控制方法研究率，直到两者重新同步，其原理如图2所示，锁相环电路采用74HC4046集成电路实现，累加计数器采用CD4040计数器。锁相环电路输出为p玩=sin@f)(1)pllb=sin(cot一2n／3)(2)pllc=sin@f+2rt／3)(3)图2锁相环原理图Fig．2Schematicofphase—lockedloop3．1．2模糊控制器模糊控制是由模糊集理论推导出来的，主要包括模糊化，模糊推理与模糊判决3部分拍3。其控制系统如图3所示，电压源逆变器直流侧电压与参考电压比较得出误差信号(e=‰．。厂‰)，误差信号经过50Hz巴特沃斯低通滤波器后得到模糊控制器的输人信号e(n)。图3模糊控制器结构图Fig．3Thestructureoffuzzycontroller该模糊控制器主要包括4个方面：1)每个输入变量和输出变量都有7种模糊子集(NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB)；2)使用三角形作为模糊语言变量的隶属函数；3)模糊推理使用Mamdani理论；4)使用最大隶属度法把模糊量转化为数字量。具体控制过程如下。①变量模糊化：模糊控制使用模糊语言变量而不是数字变量，因此需要将数字量转变为语言变量，将误差信号e模糊化，在控制器中，参考信号与输入信号的差值被定义为：正大(PB)、正中(PM)、正dx(PS)、零(zE)、负小(朋)、负中(NM)、负大(Ⅳ8)，其论域为：{一6，一5，一4，一3，一2，一1，0，1，2，3，4，5，6)。②定义语言变量数据库：本控制器使用灵敏度较高的三角形作为模糊语言变量的隶属函数，万方数据汪玉凤，等：并联型有源滤波器自适应模糊控制方法研究其形状与分布图如图4所示。③设计控制规则库：由于本控制系统双输入单输出系统，根据经验得出系统规则库如表1所示。④模糊推理：Mamdani理论是目前模糊控制工程应用最多的推理理论，推理过程可参考相关文献，本文用Mamdani理论进行模糊推理。⑤模糊解耦：将模糊控制器输出的模糊语言变量转换为数字量。本系统使用最大隶属度法，该方法是从输出的模糊集合中选取隶属度最大的元素作为判决结果，如果各个元素同时出现隶属度最大值，则取他们的平均值作为判决结果。模糊控制器的输出厶姒与上节锁相环电路的输出相乘决定了参考电流的计算n1。尘Ⅺ：—＼∥√◇f／V＼图4三角形隶属函数的形状与分布Fig．4Shapeanddistributionoftriangularmembership表1模糊控制规则表Tab．1Fuzzycontrolrulee(凡)ce(n)NBNMNSzEPsPMPB胎胎榭嬲埘船呈呈呈呈胚舾鹏呈呈船船船榭皿；￡皿{￡跗舾M；￡蹦船{￡船船埘鹏舾{￡肼船船跗皿船册船船榭嬲舾{￡朋舾{￡肼肼册船胎册船3．2自适应模糊滞环电流控制器滞环电流控制是目前应用最为广泛的一种电流控制方法，但是其开关频率、损耗以及控制精度受滞环宽度(Hysteresis．bandwidth，HB)的影响，滞环宽度越小，控制精度就越高，但同时开关频率和开关损耗也加大了。用自适应模糊控制的方法可以精确控制滞环宽度，从而减少开关损耗。基于自适应控制技术哺1的滞环控制器如图5所示，图5中i。和‰为电压源逆变器A相电流和电压，在图5中1处时，电流i。趋近于低滞环带宽，开关Js。状态为ON，电流逐渐变大，当电流增大到一定数值到达2处时，开关Js。状态变为ON，使电流逐渐变小，直到电流大小减小到3处。重复以上过程，就可以使滞环带宽稳定在设定范围。以上电气传动2014年第44卷第11期过程可以得到：百di；：手(o．5Vacdf三⋯‘-de_)(4)’8，誓一=：一一●l抛5VaJ。+v3(5)＼．，，d，三⋯‘式中：％。为APF逆变器直流侧电容电压；以为电网电压；￡为输电线路耦合电感。岑3＼稀7r＼+0．5吃L_l墨‘墨矗』EpFig．5Adaptivehysteresiscurrentcontroller根据图5的集合关系，可以得到：皆di；一誓铲2HB(6)‘—‘Ⅲu(7)、／d／：t2_dt2丝dtf2=一2瑚t1+f2=疋=l倪(8)式中：Z为开关频率。将式(6)、式(7)带人式(8)可得：誓”誓铲÷誓=。c9，式(7)减去式(8)得：百di+卜篮dt矿瓴‘)誓=4HB(10)将式(5)带入式(10)得：巍协㈣)韭dt=4HB⋯)将式(5)带入式(9)得：“一fz)=丽di'J丽dt(12)将式(12)带人式(11)得：酬半卜曙4_LYe甲5‰dt⋯)由式(13)可得当滞环宽度liB固定时，开关频率随着电源电压、直流侧电压和指令电流斜率的变化而变化。只要滞环带宽HB随着电源电压、直流侧电压和指令电流斜率的变化自动调整，就可以保证开关管开关频率为定值。选择电源电压和指令电流与实际补偿电流之间的偏差电流作为模糊控制器的两个模糊输入变量，滞环万方数据电气传动2014年第44卷第11期带宽HB为模糊控制器的输出变量，控制结构如图6所示。图6滞环带冤模糊控制器Fig．6Fuzzylogichysteresiscurrentcontroller选择模糊输入变量为指令电流与实际电流的偏差e及其变化率ec，选择模糊输出变量HB为滞环环宽。e，ec和输出变量HB经过尺度变换后的论域五，咒，蜀五E{0，l，2，3，4，5，6)，i=1，2，3，在e，ec，liB论域上取4个语言变量：舾(零)，Ps(正小)，删(正中)，PB(正大)。输入变量e，ec；输出变量HB采用交叠的三角形隶属度函数，它们对应的隶属度函数如图4所示。模糊控制规则具有模糊条件语句形式，是模糊控制的核心，根据APF谐波补偿电流控制要求，当偏差电流大时，要求滞环环宽加大，此时无论电流偏差变化率大小；当电流偏差较小时，根据电流偏差变