基于模糊控制有源滤波器直流母线控制方法.docVIP

基于模糊控制有源滤波器直流母线控制方法 刘建铨1 金宏博2 王大志1 （1、东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110004； 2、辽宁润中供水有限责任公司，辽宁 沈阳 110179） 摘 要：对于实用的有源电力滤波器，无论是启动过程还是在正常工作中对于直流侧电容电压均有着严格的要求。因此，针对直流侧电压闭环控制以及均压闭环控制分别进行了建模和分析，本文设计模糊PI混合控制器。模糊PI混合控制器与常规PI控制不同，模糊控制本质上是一种非线性控制，对控制对象的参数变化或非线性具有较好的适应能力，对干扰或噪声具有更强的抑制功能，即更强的鲁棒性。但是，模糊控制也有不足之处，模糊控制本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。 关键词：有源滤波器；模糊PI：控制器 中图分类号：TM #401 理论分析和计算 A 有源滤波器（APF）直流母线上接的直流电容器作为逆变器的电源，为逆变器工作提供能量。逆变器正常工作需要稳定的直流母线电压，但是由于靠电容器提供能量，电容器的端电压必然受电网和负载的能量状况影响，随着工况的变化而变化。为使APF主电路正常运行，必须使其直流母线电压维持在一定的数值，以保证主电路在任何时刻都能跟随指令电流的变化产生正确的补偿电流。直流母线电压控制的基本原理 根据直流母线电压的实际值与参考值之间的差值来控制逆变器从电网吸收或释放有功电流的量值，从而保证总的能量平衡，稳定直流母线电压。电网提供的能量主要供给负载，还有一小部分补偿逆变器能量的消耗，而能量的流动关系反应在各部分的有功功率上，如图所示。 图 APF能量流动关系系统正常工作时必须保证电网提供的能量等于负载消耗的能量和逆变器自身所消耗的能量，即保证等于与的和，否则当功率不平衡时，逆变器的直流电容将提供电网与负载间的功率差。当过大时，逆变器吸收的能量超过其自身消耗的能量，则剩余的能量只能存储于直流电容器，将导致逆变器直流电容电压升高，甚至毁坏系统，此时需要减小吸收有功电流的幅值以降低电网提供的功率；当过小时，逆变器吸收的能量小于其自身消耗的能量，则不足的能量由直流电容器提供，将导致直流电容电压下降，逆变器无法正常工作，需要提高吸收有功电流的幅值以增加电网提供的有功功率。 对APF直流母线电压的控制，目前主要有两种措施： （1）利用附加电源的形式，即采用二极管整流电路单独给主电路直流母线电容提供电源，同时采取一定的稳压措施，使其电压保持稳定； （2）对APF开关器件进行适当的控制，根据能量平衡的原则，通过在指令电流中附加有功分量，使直流母线电容直接从APF交流侧获取能量，实现对直流母线电压的控制。 前一种方法需要附加直流电源，从而增加系统的成本、损耗和复杂性，并且附加电源的整流电路又成为新的谐波源。本将针对第二种方法对APF主电路直流母线电压的控制方法进行研究。 直流母线电压的模糊PI混合控制方法的研究 为了改善APF直流母线电压的控制性能，在传统的PI控制方法的基础上，本文提出了一种直流母线电压的模糊PI混合控制方法。该方法同时具有PI控制的结构简单、精确度高的特点，和模糊控制不依赖于系统模型参数、鲁棒性强的特点。该方法较充分的发挥了模糊控制与PI控制的优点，具有算法实现简单动态响应快、超调小、静态误差小的特点.1 模糊PI混合控制器的设计 模糊PI混合控制器的结构如图所示。系统暂态时由模糊控制器进行控制，可提高系统动态响应性能；系统进入稳态后，切换到PI控制器，可更好地消除系统的稳态误差，提高系统的稳态性能。其中，控制器的切换由电压误差及其误差变化率控制。 PI控制器的参数采用常规整定法设置；模糊控制器根据每个采样时刻的参数偏差及其变化趋势，依据基于专家知识建立的模糊规则库，对系统暂态过程作出迅速且有效的判断，通过适当加大或减小控制力度来实现稳定控制。 图 模糊PI混合控制器结构框图 模糊控制器一般只有偏差和偏差变化率两个输入量，其特性与变系数的PD控制器相当。由于没有积分作用，在APF系统负载变化时，难以消除静差，这也是模糊控制器本身无法克服的弊端之一。 此处提出的模糊PI混合控制器与以上方法不同之处在于：通过PI控制与模糊控制的有机结合，实现了传统模糊控制器所不具有的积分效应，相当于变系数的PID控制器的功能特性，从而消除了系统静态误差。 模糊PI混合控制器的优点在于可根据不同的运行条件，自动在PI控制和模糊控制之间切换，这样可以充分发挥两者优点，互补不足，在保证系统控制精度的前提下，达到提高系统快速性、增强控制鲁棒性的目的。模糊控制和PI控制之间实现自动切换的原则定义如下： （1）系统发生振荡时，使得某段时间内误差绝对值之和与误差之和绝对值之差不为零，考虑系统的不确定性（比如测量噪声等），系统振荡判断条件为