基于模糊自適應PI控制的有源電力濾波器仿真

于樹海 余銳琴

（1.廣西電網公司北海供電局，廣西 北海 536000；2.南寧糖業股份有限公司，南寧 530000）

1 引言

電力系統中非線性負荷日益增多，使得大量的諧波和無功電流注入電網，引起了電網電壓閃變、頻率變化、三相不平衡和電網電壓波形的畸變。這種電能質量的下降嚴重影響著供、用電設備的安全與經濟運行。因此，如何改善電能質量，對供電系統的諧波與無功進行補償，是擺在人們面前的一個重要而有現實意義的課題。目前，公認的在諧波源附近或公用電網節點裝設并聯型或串聯型有源濾波器，可以有效地起到補償或隔離諧波的作用，并聯型有源濾波器（SAPF）還可以進行無功功率補償。

并聯型有源電力濾波器的基本原理如圖1所示。它是通過向電網注入與原有諧波和無功電流大小相等方向相反的補償電流，使電網的總諧波和無功電流為零，從而達到凈化電網的目的。因此如何控制逆變器產生與指令電流相同的補償電流是決定有源電力濾波器補償性能的一個重要方面。目前有源電力濾波器常用的電流控制方法有滯環電流控制、三角波調制控制、模糊控制、空間矢量調制控制、無差拍控制、滑模變結構控制、單周控制、預測控制等。本文在對實際樣機進行實驗的基礎上，針對并聯型有源電力濾波器，提出了一種更為先進，控制跟蹤效果更為優越的模糊自適應PI控制的策略，并運用Matlab仿真軟件對其進行了大量仿真。

圖1 APF基本原理圖

2 基于模糊自適應PI控制的SAPF

由于模糊邏輯控制有理想的動態特性，對過程參數的變化不敏感，具有很強的魯棒性，能夠克服非線性因素的影響，而自適應PI控制具有易實現、精度高的特點，因此將兩者結合應用于有源電力濾波器，必將保證補償電流信號實時準確地跟蹤指令電流信號的變化。

（1）模糊自適應PI控制器的設計

為了滿足實時控制需要，將操作人員的調整經驗和技術知識總結為IF（條件）THEN（結果）形式的模糊規則，并把這些模糊規則及相關信息（如初始的PI參數）存入計算機中。根據APF的響應情況，計算出采樣時刻電流與其給定量的偏差e及偏差的變化率ec，輸入控制器，運用模糊推理進行模糊運算，即可得到該時刻的實現PI參數的最佳調整。模糊PI控制器主要由模糊化、模糊推理以及去模糊化組成。實際控制器設計框圖如圖2所示。

圖2 模糊PI控制器框圖

（2）基于模糊自適應PI控制的SAPF

將模糊自適應PI控制器應用于傳統的有源電力濾波器，就構成了基于模糊自適應PI控制的SAPF。其原理圖如圖3所示。

圖3 SAPF的模糊自適應PI控制原理

（3）電壓電流跟蹤控制電路的模糊PI控制的原理框圖如圖4、5所示

圖4 SAPF電壓的模糊PI控制原理框圖

圖5 SAPF跟蹤電流的模糊PI控制原理框圖

（4）模糊自適應PI控制策略的SAPF參數設計

一個性能優良的模糊控制器除了有一套行之有效的控制規則外，還必須合理選擇控制器的初始參數值和量化因子。在有源電力濾波器中，影響模糊PI控制器的最重要的因素就是KP、KI的初始值，選擇合適的參數可以使模糊PI控制器達到更好的控制效果。根據參數預整定的原則以及文獻[26]對PI參數的設計過程的詳細推導。最后可以把PI的參數設定在一個范圍，如下式所示：

影響模糊PI控制器的另外的參數就是輸入量和輸出量的比例因子。仿真證明，ke增大，對KP′、KI′的調節死區變小，但是KP、KI調節精度提高，若取得過大，會使系統產生較大的超調，調節時間增大，而且較長時間的超調會使KI持續減小到負值，PI控制器的積分項的調節作用由原來的減小誤差變為使誤差加大，此時，若比例作用不強，會使超調繼續加大，系統不能穩定工作。kec減小，KP′、KI′的調節作用加強，KP、KI調整速度加快，但若取得過小，容易造成積分飽和，使系統超調加大，影響系統穩定運行。

在實際仿真中，取KP的值為0.95，KI的值為1.5。設定誤差E以及誤差變化率EC的基本論域分別為[-80，+80]，[-90，+90]，輸出控制量PI參數KP、KI的基本論域為[-50，+50]。由公式

可以得到模糊控制器的比例因子ke=6/80=0.075，kec=6/90=0.067，kp=50/6＝8.33，ki=50/6=8.33。

3 基于模糊自適應PI控制策略的SAPF仿真

根據上述模糊自適應PI在有源電力濾波器中的控制原理，本節在此基礎上利用Matlab/Simulink仿真工具箱搭建了SAPF控制策略的仿真模型。仿真圖如圖6所示。

（1）參數設置

上述仿真模型中各參數如下：系統相電壓220V，系統線路阻抗0.3?＋0.3mH，變流器開關頻率16.2kHz，直流側電容5000μF，整流負載直流側電感80mH，電阻2?。

其中，模糊自適應PI控制器的仿真結構圖如圖7所示。

圖6 基于模糊自適應PI控制策略的APF的系統仿真圖

圖7 模糊自適應PI控制的仿真結構

（2）電壓環的仿真

SAPF在運行過程，若直流電壓有大的波動，就可能會造成IGBT的開關時間紊亂，從而造成IGBT模塊過流被燒壞。所以直流側電壓的穩定尤為重要。為了驗證直流母線電壓的模糊自適應PI控制方法的穩態與動態性能，在負載突然增加和APF系統啟動兩種情況下，分別采用模糊自適應PI控制方法與傳統PI控制方法，在Matlab/Simulink中進行了APF直流母線電壓控制的仿真實驗。仿真波形如圖8所示。

圖8 SAPF運行中突加負載時的直流母線電壓波形

從仿真圖8中可以看到，單純采用PI控制時，開始階段的電壓波動比較劇烈，對IGBT模塊的沖擊影響較大，而采用模糊自適應PI控制時，電壓上升到穩態時的過程就比較平緩，減少了對IGBT模塊的沖擊，有利于實現電壓環的平滑調節。

（3）電流環的仿真

電流環控制的好壞直接決定了補償電流波形的效果。由于電流環直接作用于PWM波形的發生階段，因此，電流的發生以及控制的穩定性尤為重要。

圖9為負載電流突然增加時的仿真波形，在圖9中，最上面是A相負載電流波形，中間的是采用模糊自適應PI控制方法得到指令電流以及補償電流信號。最下面的為采用模糊自適應PI控制方法得到的補償后的電流波形。

圖9 采用模糊自適應PI控制的SAPF運行中突加負載時的電流波形

從圖9的仿真結果可以看出，采用模糊自適應PI控制以后，指令電流與補償電流的波形從跟蹤效果上來看更加趨于平滑。而且在負載突然增加時，補償后的電流波形也能實現平滑的調節，跟蹤補償效果比較良好，能夠達到較為理想的波形。

（4）系統的穩態仿真

取定直流側電壓Udc為800V，連接電感L取值為0.68mH以后，本小節對系統的穩態性能進行了仿真。仿真波形如圖10所示。

圖10中，從上至下依次為A相負載電流和補償后系統A相電流的波形、A相負載電流波形的THD以及補償后A相系統電流波形的THD。從仿真效果可以看出，除在變流器換相處存在尖峰電流沒有完全補償外，系統電流整體已接近。而且從諧波含量上來分析，補償后實際電流波形中的諧波含量已經大大的減少，都符合國家標準中所規定的允許值。

圖10 系統穩定運行后的負載電流和系統電流波形以及諧波含量

4 結論

本文搭建了模糊自適應PI控制的SAPF仿真模型，并對各種情況下的波形進行了仿真，同時與普通PI控制進行了比較。仿真結果證明，采用模糊自適應PI對SAPF進行控制是可行的，是有效的。

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