有源电力滤波器直流侧电压的下垂模糊自适应PI控制方法与流程

本发明属于电力滤波技术领域，更为具体地讲，涉及一种单相并联有源电力滤波器直流侧电压控制方法。

背景技术：

近几年，随着电力电子技术的发展，大量非线性负载投入到电力系统中，使得谐波污染越来越严重。由于有源电力滤波器(Active Power Filter，APF)能够有效地补偿谐波，因而吸引了国内外学者的深入研究。主电路的拓扑结构和控制策略是影响APF补偿效果的主要因素。实际APF是以电流为内环、直流侧电压为外环的双闭环控制系统；其中，直流侧电压构成的外环控制系统对APF的补偿效果具有重要影响。

目前，对APF直流侧电压控制大多采用传统PI控制；虽然该方法提高了APF的补偿性能，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，导致系统过压、过流保护动作，严重时会导致IGBT等器件的过流击穿，而且补偿性能不太明显。为了改进该方法的不足，学者在此基础上提出了一种新的控制策略，即模糊自适应PI控制策略。该方法不依赖被控对象的数学模型，能克服非线性因数的影响，鲁棒性强，有效提高了APF的补偿性能，但存在补偿精度不高、超调量大、响应速度慢等缺点。

由于APF本身存在线路电阻的开关损耗带来的有功损耗，以及工作状态变化时需要吸收一定的有功功率，导致有时会影响电压的波动，以及直流侧欠电压或过电压，从而危及装置的安全可靠运行。这就要求直流侧电压的参考值即能减少功率损耗，同时也能确保APF的补偿性能。

在文献(李智华,刘振,吕振彬.有源电力滤波器直流侧电压的模糊自适应控制[J].电源技术,2010,34(06):582-585.[1002-087X(2010)06-0582-04])中，提出了一种有源电力滤波器直流侧电压的模糊自适应PI控制方法。其原理是利用给定的直流侧电压参考值和实时检测到的直流侧电压做比较，然后将比较值通过模糊自适应PI控制器进行误差调节，输出有功电流调制信号，并将其叠加到瞬时有功电流的直流分量上，实现直流侧电压的稳定。该方法能提高APF补偿性能，但效果不明显，因为没有考虑APF直流侧电压与功率损耗以及补偿能力之间的关系，使用给定的直流侧电压参考值，很难实现APF的有功功率损耗与补偿性能的综合优化。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服有源电力滤波器直流侧电压的模糊自适应PI控制方法的不足，提出了一种有源电力滤波器直流侧电压的下垂模糊自适应PI控制方法。该方法能够利用APF直流侧电压与功率损耗以及补偿能力之间的关系来获取直流侧电压参考值，再通过模糊自适应PI控制器调节，最后实现APF的有功功率损耗与补偿性能的综合优化。

本发明的技术方案是：

1)先通过下垂控制得到APF直流侧电压的参考值U_ref。

将单相电路的电压u_s和电流i_s通过相位延迟得到对称三相电压u_abc和三相电流i_abc；三相电压u_abc和三相电流i_abc经过Park变换得到静止坐标下的两相电压u_αβ和电流i_αβ；再经过功率计算得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q；最后，通过下垂控制器得到U_ref。Park变换如下：

和

功率计算公式：

参考电压的合成公式：

和

2)将1)中得到的直流侧电压参考值U_ref和实时检测的直流侧电压U_dc做比较，将比较值记作e,其变化率记作e_c。然后将两者作为模糊控制器的输入，通过对输入量的模糊化，可以得到e和e_c两者的基本论域定义为(-12，+12)，两者的量化因子k_e和k_ec都为0.5。模糊控制器的输出为Δk_p和Δk_i，两者的基本论域定义为(-6，+6)，两者的比例因子k_u为0.05；再确立隶属度函数，即输入e，e_c和输出Δk_p，Δk_i的模糊子集中NB(负大)都选择zmf型隶属度函数，“PB”都选择smf型隶属度函数，其余语言变量的隶属度函数都选择三角形隶属度函数(trimf)；其次，通过依据模糊控制规则表对Δk_p和Δk_i进行自整定；最后，通过模糊推理算法和解模糊化方法对输出量Δk_p和Δk_i进行清晰化。

3)把2)中解模糊化后的Δk_p和Δk_i，作为PI控制器的输入，PI控制器输出为k_p和k_i。设定：k_p＝k_p^*+Δk_p，k_i＝k_i^*+Δk_i；模糊控制规则在线地对PI参数进行自动修正，得到合适的PI控制器参数k_p，k_i，最终得到理想的补偿有功电流值Δi_p。

本发明有益效果如下：

针对有源电力滤波器直流侧电压的模糊自适应PI控制方法的效果不理想等问题，本发明提出了单相并联有源电力滤波器直流侧电压的下垂模糊自适应PI控制方法。该方法利用APF直流侧电压与功率损耗以及补偿能力之间的关系，采用下垂控制器来获取直流侧电压参考值，然后将参考值和实时检测的直流侧电压的比较值经过模糊自适应PI控制器进行调节。该方法能够保证APF工作过程中直流侧电压保持很高的稳定性。相对于模糊自适应PI控制方法，该方法具有响应速度更快、超调量更小等优点，并且实现了APF的有功功率损耗与补偿性能的综合优化，满足了直流侧电压控制的要求。

附图说明

图1单相并联型APF拓扑结构

图2下垂模糊自适应PI控制框图

图3模糊自适应PI控制框图

图4模糊自适应PI控制方法的直流侧电压响应图

图5下垂模糊自适应PI控制方法的直流侧电压响应图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

1)图1为单相并联型APF拓扑结构。单相并联型APF拓扑结构由电压源型逆变器和L型滤波器电感组成；负载部分采用单相不可控整流电路。其中，U_dc为直流侧电压，L_c为滤波电感，u_s为单相电源电压，L和R分别为负载电感和电阻，i_s、i_l和i_c分别为电网电流、负载电流和补偿电流。

2)图2为本发明提出的下垂模糊自适应PI控制原理框图。u_s，i_s分别为单相电路的电压和电流。对称三相电路的电压和电流波形是相同的，只是相位互差120度，因此可通过相位延迟得到三相电压u_abc和电流i_abc。经过Park变换得到静止坐标下的电压和电流。再经过功率计算得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q。最后，通过下垂调节器得到U_ref。

其中，Park变换如下：

和

功率计算公式：

将p和q带入p-f和q-v下垂方程得到：

其中，ω₀和U_0m分别为单相电路额定角速度和额定电压幅值,ω₀＝314rad/s，U_0m＝311v；p₀和q₀分别为其指定的有功功率和无功功率的输出，p₀＝14kw，q₀＝0kVar；k_p和k_q为p-f和q-v对应的下垂系数，k_p＝1e-5，k_q＝3e-4；U_m和ω分别为经下垂方程调整后的相电压幅值和角速度。

APF的功率损耗主要是主电路中开关器件的损耗。在开关频率不变、主电路交流侧输出电流稳定的情况下，APF的损耗与直流侧电压成线性关系。而主电路输出电流中的谐波主要来源于不可控整流电路输出电压U_out中的谐波和单相电源电压。定义不可控整流电路输出电压幅值调制比D为:

其中，

U₁表示基波分量，U_k、U_l分别表示谐波分量，φ₁表示基波相位角，φ_k、φ_l分别表示谐波相位角，ω表示信号角频率，n＝1,2,3，…。

考虑到单相电路中含除基波之外的各次谐波，以及非线性负载产生谐波最严重的状况，所以不可控整流电路输出最大电压U_outM，需要满足:U_out≥U_outM。

其中U_outM为：

U_m表示下垂调节后电源电压，L_c表示滤波电感，I₁表示基波电流，I_k、I_l分别表示谐波电流，

由调制比D表达式和U_outM表达式可知：

为确保APF工作时，D稳定在最大值，由上述可知：

综上可知：ΔU_out决定了APF的补偿性能。在线性调节范围内，单相电源电压会有±10％的波动。为实现APF功率损耗与补偿的均衡，可采用下垂控制器来实现直流侧电压的优化控制。通过下垂调节控制器，得到参考电压U_ref为：

3)图3为模糊自适应PI控制原理，模糊控制器的输入为误差e和误差变化率e_c，输出为Δk_p和Δk_i。在模糊自适应PI控制下，PI控制器输出为k_p和k_i。设定：k_p＝k_p^*+Δk_p，k_i＝k_i^*+Δk_i；其中，k_p^*和k_i^*分别为PI控制器k_p和k_i参数初始值；其中，Δk_p和Δk_i分别为模糊控制器的输出值。

由上述分析可知：模糊自适应PI控制器的设计分成两部分：1)模糊控制器的设计；2)PI控制器参数的选取。

①依据模糊控制理论，对模糊控制器的设计分成以下三点：

一、语言变量的模糊化：设定系统输入误差e和误差变化率e_c的语言变量为E和EC，两者的基本论域定义为(-12，+12)；将其模糊子集的论域都定义为：E，EC＝{-6，-4，-2，0，2，4，6}；其模糊子集为：E，EC＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；e和e_c的量化因子k_e和k_ec都为0.5；将输入PI的两个系数Δk_p，Δk_i的基本论域定义为(-6，+6)；将其模糊子集的论域都定义为：Δk_p，Δk_i＝{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}；其模糊子集都为：Δk_p，Δk_i＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；输出控制量的比例因子k_u为0.05。在输入输出中，{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}表示{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}。

考虑到对论域的覆盖程度、准确性和系统的稳定性、鲁棒性，输入e，e_c和输出Δk_p，Δk_i的模糊子集中NB(负大)都选择zmf型隶属度函数，“PB”都选择smf型隶属度函数，其余语言变量的隶属度函数都选择三角形隶属度函数(trimf)。

二、模糊控制规则的建立：模糊控制规则是对专家的知识和经验的总结，根据前面的设定可设计出49条模糊规则，规则表如下：

三、模糊推理算法和解模糊化方法的确立：选取Mamdani型模糊推理算法，在模糊控制理论中，该方法是模糊控制规则形成的主要理论依据。而解模糊化选择加权平均法，适合输出模糊集的隶属度函数是对称的情况。

②PI控制器参数的选取

为了提高系统的响应速度，降低超调量，达到增加系统稳定性的目的。根据不同的误差和误差变量，对提出的PI控制器参数k_p，k_i设定规则：当|e|和|e_c|较大，且e和e_c同号时，为了加快系统的响应速度，k_p，k_i值应选取得大一些；反之，k_p取值要适中，而k_i取值应较小。

根据上述理论分析，系统实验时ΔU_dc值应选择适中。首先将k_p和k_i都设定为1.2，经过多次实验调整，发现当k_p为0.95，k_i为1.5时，系统响应速度较好，且稳定性更佳。

4)图4为现有的模糊自适应PI控制方法的直流侧电压响应图，图5为本发明提出的下垂模糊自适应PI控制方法的直流侧电压响应图，由图可以看出：相对于模糊自适应PI控制方法，下垂模糊自适应PI控制方法的响应更快、超调量更小，且能更快地达到稳定值。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。