基于模糊控制的有源滤波器直流母线电压控制

针对传统直流侧电压控制方法存在超调量和静差较大的问题，设计了混合有源电力滤波器控制系统，建立了混合有源电力滤波器的系统模型，并针对直流侧电压控制设计了一套双模糊控制器，与传统直流侧电压控制方法相比，该控制方法具有超调小、响应速度快、静差较小的特点。仿真结果验证了该方法的正确性和可行性。
关键词 混合有源电力滤波器；直流侧电压；双模糊控制器

随着大量非线性负载接入电网，谐波问题成为影响电力系统安全和电能质量的重要因素，电力谐波治理日益受到重视。
目前对APF直流侧电压多是采用PI控制或模糊控制，但PI控制依赖于系统精确的数学模型，鲁棒性差、易引起电压超调和电流冲击；模糊控制不依赖被控对象的数学模型，稳态效果也比常规的PI控制效果好，但缺点是动态过程中直流侧电压控制效果不理想。
文中建立了混合有源电力滤波器的仿真模型。针对直流侧电压控制系统设计了一套双模糊控制器。仿真结果表明，该有源电力滤波器能有效地消除谐波电流，同时具有良好的动态补偿特性。

1 源滤波器工作原理及主电路设计
混合有源滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网中只含有基波，达到滤波的目的。
并联混合有源电力滤波器原理如图1所示。该混合型有源电力滤波器由LC无源滤波器和有源滤波器两部分组成。混合型APF以电压型逆变器作为其有源部分，与无源部分和负载并联接入电网。

特定次谐波主要由无源滤波器消除，采用多个单调谐滤波器组成，单调谐滤波器的调谐频率根据被补偿对象的谐波成分确定，无源滤波器可由5次、7次和11次单调谐滤波器构成。
APF系统由指令电流运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路组成。工作原理是：通过检测负载电流Ll和电网电流Is，提取其中的谐波电流，进而通过控制三相半桥逆变器输出与谐波电流相反的补偿电流Ic，最终使Is趋近于正弦。

2 直流侧电压控制方法
2．1 双模糊控制方法
本文提出了一种直流母线电压的双模糊控制方法。该方法由于控制器的增多，改善了控制性能，使系统的控制时间、动态响应加快、稳态误差变小，并且算法实现简单，满足多种负载变化情况下的直流母线电压控制要求。
双模糊控制器的设计思想是从人工调节中的粗调、细调乃至微调中得到启发而来，其结构如图2所示。

双模糊控制器的优点在于可根据不同的运行条件，自动在模糊控制器1和模糊控制器2之间切换，这样可以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。
双模糊控制器实现自动切换的原则定义如下：当系统电容侧电压的变化量△U大于设定值e0时，由模糊控制器1进行控制，可提高系统动态响应性能；系统进入稳态后，电容侧电压的变化量△U小于设定值e0时，切换到模糊控制器2进行控制，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△U及其误差变化率du／dt控制。该控制器在保证系统控制精度的前提下，实现提高系统速度、增强控制鲁棒性的目的。其中△U为直流母线电压与其参考值的偏差。
模糊控制器根据每个采样时刻的参数偏差及变化趋势，基于专家知识建立的模糊规则库，对系统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。
模糊控制器一般只有偏差和偏差变化率两个输入量，本文中的双模糊控制器均采用二维模糊控制器，该模糊控制器以误差和误差的变化率为输入变量，以控制量的变化为输出变量。由前文对有源电力滤波器直流母线电压控制原理的讨论，选择当前的电压Ur与参考电压Uf的偏差△U及其变化率(du／dt)为模糊输入变量，选择模糊输出变量为电网注入APF主电路的有功电流控制量Ud(△ip)。
模糊输入量e、ec定义为
e(k)=Uf-Ud(k)
ec(k)=e(k)-e(k-1) (1)
其中，Ur(k)为k时刻的直流母线电压；Uf为参考电压。
在其论域上取7个语言变量，定义语言值为：{Positive Big(PB)，Positive Medium(PM)，Positive Small(PS)，Zero(ZO)，Negative Small(NS)，Negative Medium(NM)，Negative Big(NB)}。
对模糊输入e、ec和输出u进行模糊化，建立模糊子集为e，ec，u={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}
模糊控制规则是模糊控制的核心，因此，如何建立模糊控制规则成为一个关键的问题。本文采用MAX-MIN推理合成规则，运用IF-THEN形式的模糊条件语句，单元集模糊化重心法，输入变量和输出变量均采用三角形隶属度函数。输入变量e、ec和输出变量u对应的隶属度函数如图3所示。

该模糊控制器调节过程如下：当实际测量值远小于设定值时，则大幅增加控制量；当实际测量值远大于设定值时，则大幅减小控制量；当实际测量值和设定值正负偏差不大时，则根据实际测量值的变化趋势来确定控制量的大小。模糊控制器规则如表1所示。