一种有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制方法

文档序号:10728720阅读:521来源:国知局
一种有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制方法
【专利摘要】本发明公开一种基于分数阶的有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制方法,步骤包括:(1)建立有源电力滤波器的数学模型;(2)设计基于分数阶的反演滑模自适应模糊控制器。本发明能够确保对谐波电流的实时跟踪,并且加强系统的动态性能,提高系统鲁棒性,在外加负载变化的时候,依然能够保持很好的系能;通过设计滑模变控制器保证有源电力滤波器沿着滑模轨迹运行;针对反演控制律的不足之处,采用模糊控制器来逼近有源电力滤波器中的非线性部分;设计自适应模糊控制器能够确保对指令电流的实时跟踪并加强系统的鲁棒性;在滑模控制器和自适应控制器当中引入了分数阶模块,与整数阶相比增加了可调项,提高了系统的整体性能。
【专利说明】
-种有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及有源电力滤波器自适应模糊控制技术领域,特别是一种基于分数阶的 =相并联电压型有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制方法。
【背景技术】
[0002] 电力电子技术的发展给我们的生活带来了各种各样的便利,然而,伴随着在电网 中加入越来越多的电力电子设备负载,由于正弦电压施加非线性负载,基波电流扭曲成谐 波电流,由此出现了大量的电能质量问题,运一直困扰着我们。现在电网中广泛使用可补偿 无功的电容器,在一定的频率下,可能满足串联或并联谐振条件,但当该次谐波足够大时, 就会造成危险的过电压或过电流,运往往导致电气元件及设备的损坏,严重影响电力系统 的安全运行。针对上述问题,目前主要采用外加滤波器的方式进行治理,滤波器分为无源滤 波器和有源电力滤波器两种。但由于无源滤波器存在只能补偿特定谐波等缺陷,所W现在 对电能问题的治理主要集中在有源电力滤波器。
[0003] 由于难W获得被控对象精确的数学模型,传统的控制方案难W达到理想的控制效 果。而反演设计方法的基本思想是将复杂的非线性系统分解成不超过系统阶数的子系统, 然后为每个子系统分别设计李雅普诺夫函数和中间虚拟控制量,一直"后退"到整个系统, 直到完成整个控制律的设计。将模糊滑模控制、自适应算法、W及分数阶理论结合起来并应 用于有源电力滤波器控制当中,对系统进行基于李雅普诺夫理论的稳定性分析,是迄今为 止存在的专利中尚未有过的,所W,具有一定的研究与应用价值。

【发明内容】

[0004] 本发明要解决的技术问题为:将模糊滑模控制、自适应算法、W及分数阶理论结合 起来并应用于有源电力滤波器控制当中,实现对指令电流的实时跟踪补偿,提高系统控制 的可靠性、稳定性,W及对参数变化的鲁棒性。
[0005] 本发明采取的技术方案具体为:一种有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制方 法,包括W下步骤:
[0006] 步骤一,根据电路理论和基尔霍夫定理得到有源滤波器的数学模型,即:
[0007]
[000引
[0009] 其中Xi为有源电力滤波器输出的实际电流,X2为将Xi对时间求导,乂功立相有源滤 波器端电压,1功;相补偿电流,k=l,2,3;Lc为电感瓜为电阻;dk为开关状态函数,Vdc为有 源电力滤波器中电容电压;
[0010] 步骤二,设计基于分数阶的有源电力滤波器的反演控制器,步骤为:
[OOW 2-1)定义Xd为参考指令电流,e为跟踪误差,对于实际电流XI,有ei = x广Xd,由于 ^,巧 Ij:
[0012]
(12);
[OOU]设计虚拟控制函数日I A= -M-^尸其中,Cl是一个非零正实数;
[0014] 2-2)定义误差62 = X2-ai,设计李雅普诺夫函数Vi
[001引 2-3)对李雅普诺夫函数V冰导,如果62 = 0,那么,则设计李雅普诺夫函数V2;
[0016] 2-4)设计分数阶滑模面s,s =、ei+A2护-iei+A3e2,其中,Ai,A2,A3为正整数,设计李 雅普诺夫函数V2=[V21 V22 V23]T,其I=I
Sk为向量S=[S1 S2 S3]中的一个元 素,为分数阶导数;
[0017] 根据李雅普诺夫函数V2,设计控制器U=[Ui化U3]t,W保证系统全局的稳定性,控 制器设计为:
[001 引
[0019] 其中,Al,A2,人3为正整数,eik为跟踪偏差,eik = Xik-Xdk,Xdk为指令电流信号,f k和b为 有源电力滤波器的数学模型式中的参量,f为f(x)的缩写,fk即fk(x),护为分数阶导数;
[0020] 步骤=,采用乘积推理机、单值模糊器和中屯、解模糊器设计分数阶自适应模糊反 演跟踪控制器,使补偿电流实时跟踪指令电流,达到消除谐波的目的:
[0021] 3-1)因为上述步骤中的fk未知,故采用模糊系统来逼近fk,得到自适应模糊反演 跟踪控制器U为:
[0022]
[002;3]其中,/(A|0g)为模糊系统输出
为模糊向量,0fkT为 自适应参重,其中k = 1,2,3;
[0024]模糊系统即通过制定模糊规则构造的一个模糊控制器,得到的输出能够逼近非线 性项f;
[00巧]3-2)基于李雅普诺夫理论设计自适应参量目fkT的自适应算法夫
,其 中,r是自适应系数,k = 1,2,3。
[00%]进一步的,本发明步骤一包括W下步骤:
[0027] 1-1)根据电路理论和基尔霍夫定理,得到有源电力滤波器数学模型的动力学方程 为
[0028]
(1)
[0029] 其中,dk为开关函数,4=1,2,3,乂1,乂2,乂3分别为;相有源滤波器端电压,1142 43 分别为=相补偿电流,Vdc为电容电压,Lc为电感,Rc为电阻;
[0030] 1-2)定义参数 XI,X2为:
[0031]
(2)
[0032] 将动力学方程式(1)改写成
[0033]
C3)
[0034] 其中
^?片)即关于1诚函数;
[0035] 方程(3)即为有源电力滤波器的数学模型,也是本领域较为通用的模型,同时也是 本发明基于分数阶的有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制器设计的基础。
[0036] 上述步骤1-1)中,开关状态函数dk的定义如下
[0037]
. (4)
[0038] 其中,Ck为开关函数,指示IGBT的工作状态,定义如下:
[0039;
(5)
[0040] k = 1,2,3,那么dk将会依赖于第k相IGBT的通断状态。
[0041 ]本发明步骤3-2)中,李雅普诺夫函数V3设计为:
[0042]
[0043] 其中,k = l,2,3,解f =0:-0,,0,是最优自适应参数。
[0044] 与现有技术相比,本发明的有益效果为:
[0045] 通过设计分数阶自适应滑模控制器,使得系统能够工作在规定的稳定的滑模面 上,其能够克服系统的不确定性,对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒性;设计分数阶自适 应模糊控制器,用来逼近有源电力滤波器中的未知部分,通过对被控对象系统参数的不断 估计,完成对被控对象的控制。本发明的自适应模糊滑模控制方法能够确保对谐波电流的 实时跟踪并加强系统的鲁棒性,在外加负载变化的时候直流侧电压依然能够在短时间内保 持稳定。特别地,增加了分数阶控制,与整数阶控制比起来增加了可调项,在系统的性能方 面能够取得更好的效果。
【附图说明】
[0046] 图1为本发明有源电力滤波器的模型示意图;
[0047] 图2为本发明基于分数阶的有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制方法原理示 意图;
[0048] 图3为实际输出追踪期望曲线的时域响应曲线图;
[0049] 图4为加入阶梯式负载后的直流侧电压响应曲线图。
【具体实施方式】
[0050] W下结合附图和具体实施例进一步描述。
[0051] 一、建立有源电力滤波器的数学模型
[0052] 本发明研究的是应用相对广泛的并联电压型有源电力滤波器。在实际应用中,= 相交流电的应用占多数,所W主要研究用于=相=线制系统的情况,主电路结构参考图1。
[0053] 有源电力滤波器主要由=部分组成,分别是谐波电流检测模块、电流跟踪控制模 块和补偿电流发生模块。谐波电流检测模块通常采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流的 快速检测。补偿电流通常采用PWM控制发生。补偿电流应与检测到的谐波电流振幅相同相位 相反W达到消除谐波分量的目的。
[0054] 根据电路理论和基尔霍夫定理可得到如下公式:
[0化5]
r Cl)
[0化6] 其中,V1,V2,V3分别为立相有源滤波器端电压,il,i2,i3分别为S相补偿电流,V1M, V2M, V3M, VMN为M点質|a、b、C、N点的电压,Lc为电感,Rc为电阻。
[0057]假设交流侧电源电压稳定,可W得到
[005引
(2)
[0059] 并定义Ck为开关函数,指示IGBT的工作状态,定义如下:
[0064] 我们定义dk为开关状态函数:
[0060] 。)
[0061]
[0062]
[0063] (4)
[0065]
")
[0066] 则dk依赖于第k相IGBT的通断状态,是系统的非线性项,
[0067] 并有
[006引
[0069]
[0070]
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075]
[0076]
[0077]
[007引 ,
[0079] 基于分数阶的有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制器的设计即基于W上的 数学模型。
[0080] 二.设计基于分数阶的有源电力滤波器的反演控制器:
[0081] 基于分数阶的有源电力滤波器的反演控制器的设计包括2步。分别为构造虚拟控 制函数和构造实际控制律。接下来我们给出详细的设计步骤:
[00剧步骤一:
[0083] 令指令电流信号为Xd,定义误差为ei = xi-xd,则
[0084]
(12)
[00化]设计虚拟控制函数口1,
[0086] a:i = -CA -fi"., (13 )
[0087] 其中,Cl是一个非零正实数。
[008引 定义 e2 = x2-ai (14)
[0089] 设计李雅普诺夫函数Vi,
[0090] (15)
[0091] :导:
[0092] (化)
[0093] 如果62 = 0,那么巧=-< 0,则进行步骤二。
[0094] 步骤二:
[00M]设计分数阶滑模面
[0096] S =入iei+入2 护-Iei+入 362 (17)
[0097] 其中,入1,入2,入3为正整数。
[009引设计李雅普诺夫函数V2=[V21 V22 V23]T:
[0099]
[0100]
[0101]
[0102]
[0103]
[0104] (20)
[0105] 其中,k = l,2,3。
[0106] 设计控制器U=[Ui化U3]t:
[0107]
(21)
[010引其中,Al,A2,人3为正整数,eik为跟踪偏差,eik = Xik-Xdk,Xdk为指令电流信号,f k和b为 有源电力滤波器的数学模型式中的参量,
[0109] 则
[0110]
[0111] 通过控制律的设计,使得系统满足了李雅普诺夫稳定性理论条件,ei和62?指数形 式渐进稳定,从而保证系统具有全局意义下指数的渐进稳定性。
[0112] 设计基于分数阶的有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制器
[0113] 因为上述步骤中的fk未知,故采用模糊系统来逼近fk。
[0114] 采用乘积推理机、单值模糊器和中屯、解模糊器来设计基于分数阶的有源电力滤波 器反演滑橫自适应橫糊特制器,得到自适应橫糊反痛跟踪特制器Uk为
[0115]
[0116] 其中,/的|气;_)为模糊系统输出
对莫糊向量,0fkT为 自适应参量,k=l,2,3,
[0117] 设计自适应律聲^为
[011 引
(22)
[0119] 其中,r是自适应系数,k = l,2,3。
[0120] 下面用李雅普诺夫函数方法对设计的自适应律进行证明:
[0121] 定义最优参数为
[0122]
(23)
[0123] 其中Qf是0f的集合。
[0124] 定义估计误差
[0125]
(24)
[0126] 定义李雅普诺夫函数
[0127]
C25)
[012引则
[0129]
。6)
[0130] 其中
,并将自适应律(22)带入上式,得
[0131]
(巧)
[0132] 由于COk非常小可W忽略不计,故
[0133] 从而,系统具有渐进稳定性。
[0134] 四.仿真验证
[0135] 为了验证上述理论的可行性,在Matlab下进行了仿真实验。仿真结果验证了基于 分数阶的自适应模糊反演控制器的效果。
[0136] 仿真参数选取如下:
[0137] 取六种隶属函数进行模糊化:ii = exp[-(x+4-(i-l)*1.6)2],i = l,...,6;
[013引 自适应增益r = 100000,C = SOOOO,目化=[目hki 0hk2 0hk3 0hk4 0hk5 0hk6]T,
[0139] 其中,k = I,2,3,电源电压和频率为Vsi = Vs2 = Vs3 = 220V,f = 50Hz,非线性负载为R =10〇,1^ = 2111山有源滤波器的参数为1=100恤,1?=100〇,〔=100邮。直流侧电容电压采用 PI 枉制,枉制参数kp = 0.03, ki = 0.01。
[0140] 0.04S时补偿电路接入开关闭合,有源滤波器开始工作,并在0.1 S和0.2S时分别接 入一个相同的额外的非线性负载。
[0141] 实验的结果如图4所示。从图4可W看出,当有源电力滤波器开始工作W后,补偿电 流isref在0.05s就基本能够与谐波电流i。保持一致,具有快速性和准确性。直流侧电压波形 图,Vref为基准电压,可W看出在增加了阶梯式的负载之后,电容电压仍能够快速恢复到基 准值,进一步验证了系统的鲁棒性。
[0142] 本发明应用于有源电力滤波器的基于分数阶的反演滑模自适应模糊控制系统,其 对有源电力滤波器进行有效、可靠的控制。设计分数阶滑膜控制器,使得系统能够工作在规 定的稳定的滑模面上,其能够克服系统的不确定性,对干扰和未建模动态具有很强的鲁棒 性;设计分数阶反演滑模自适应模糊控制器,用来逼近有源电力滤波器中的未知部分,通过 对被控对象系统参数的不断估计,完成对被控对象的控制。自适应模糊控制策略能够确保 对谐波电流的实时跟踪并加强系统的鲁棒性,在外加负载变化的时候直流侧电压依然能够 在短时间内保持稳定。
[0143] 特别地,本发明增加了分数阶控制模块,与整数阶控制比起来增加了可调项,在参 数辨识和系统的性能方面能够取得更好的效果。
[0144] W上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人 员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可W做出若干改进和变形,运些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种有源电力滤波器反演滑模自适应模糊控制方法,其特征是,包括W下步骤: 步骤一,根据电路理论和基尔霍夫定理得到有源滤波器的数学模型,即:其中XI为有源电力滤波器输出的实际电流,X2为将XI对时间求导,Vk为Ξ相有源滤波器 端电压,ik为Ξ相补偿电流,k=l,2,3;Lc为电感,I?c为电阻;dk为开关状态函数,Vdc为有源电 力滤波器中电容电压; 步骤二,设计基于分数阶的有源电力滤波器的反演控制器,步骤为: 2-1)定义xd为参考指令电流,e为跟踪误差,对于实际电流XI,有ei = xi-xd,由于i,=A, 则: gj = ij - Xj = X, - Xj (12);. 设计虚拟控制函数αι,巧=-c,e, +?,其中,Cl是一个非零正实数; 2-2)定义误差θ2 = Χ2-αι,设计李雅普诺夫函数Vi,F| =^皆色1; 2-3)对李雅普诺夫函数Vi求导,如果62 = 0,那么K ia),则设计李雅普诺夫函数V2; 2- 4 )设计分数阶滑模面S,S = λ?61+λ2护-1θ1+λ3θ2,其中,λι,λ2,λ3为正整数,设计李雅普 诺夫函数V2=[V21 V22 V23]T,其中苗,sk为向量s=[Sl S2 S3]中的一个元素,护-1 为分数阶导数; 根据李雅普诺夫函数V2,设计控制器U=[Ul化化]T,W保证系统全局的稳定性,控制器 设计为:其中,λι, λ2, λ3为正整数,eik为跟踪偏差,eik = Xik-Xdk,Xdk为指令电流信号,fk和b为有源 电力滤波器的数学模型式中的参量,护为分数阶导数; 步骤Ξ,采用乘积推理机、单值模糊器和中屯、解模糊器设计分数阶自适应模糊反演跟 踪控制器,使补偿电流实时跟踪指令电流,达到消除谐波的目的: 3- 1)因为上述步骤中的fk未知,故采用模糊系统Λ来逼近fk,得到自适应模糊反演跟踪 控制器U为:其中,/(?做:)为模糊系统输出,/(? I = 《片y,C(xk)T为模糊向量,0fkT为自适 应参量,其中k=l,2,3; 模糊系统即通过制定模糊规则构造的一个模糊控制器,得到的输出能够逼近非线性项 f; 3-2)基于李雅普诺夫理论设计自适应参量0/的自适应算法为A;. ,其中,r 是自适应系数,k = 1,2,3。2. 根据权利要求1所述的方法,其特征是,步骤一包括W下步骤: 1-1)根据电路理论和基尔霍夫定理,得到有源电力滤波器数学模型的动力学方程为:(1) 其中,dk为开关函数,4=1,2,3,乂1,乂2,乂3分别为;相有源滤波器端电压心4243分别为 Ξ相补偿电流,vdc为电容电压,Lc为电感,Rc为电阻; 令爱:擲Y1 . 乂9责式(3)即为有源电力滤波器的数学模型。3. 根据权利要求1所述的方法,其特征是,步骤1-1)中,开关状态函数dk的定义如下:(4) 其中,ck为开关函数,指示IGBT的工作状态,定义如下:(5) k= 1,2,3dk依赖于第k相IGBT的通断状态。4. 根据权利要求1所述的方法,其特征是,步骤3-2)中,李雅普诺夫函数V3设计为:(巧) 其中,k=l,2,3,界,=0:-0,,武是最优自适应参数。
【文档编号】H02J3/01GK106099928SQ201610415858
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610415858.3, CN 106099928 A, CN 106099928A, CN 201610415858, CN-A-106099928, CN106099928 A, CN106099928A, CN201610415858, CN201610415858.3
【发明人】曹頔, 雷单单, 王腾腾, 费峻涛
【申请人】河海大学常州校区
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