基于模糊自適應(yīng)控制算法的APF

秦有杰，李 彥

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

目前，有源濾波器(active power filter，APF)控制中普遍采用滯環(huán)電流比較器(hysteresis current controller，HCC)產(chǎn)生逆變器的開關(guān)信號(hào)［1］。但這種控制策略會(huì)產(chǎn)生不平衡的開關(guān)頻率信號(hào)。模糊自適應(yīng)滯環(huán)電流比較器(fuzzy adaptive hysteresis current controller，F(xiàn)AHCC)可通過模糊控制邏輯來調(diào)節(jié)滯環(huán)環(huán)寬，達(dá)到優(yōu)化PWM 開關(guān)信號(hào)的目的，克服HCC 存在的缺陷。FAHCC 根據(jù)電力有源濾波器的瞬時(shí)輸入電壓和參考電流斜率計(jì)算出滯環(huán)的環(huán)寬，保持PWM 開關(guān)信號(hào)的頻率固定不變，降低開關(guān)損耗，提高APF 的性能［2］。本文通過船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)作為非線性負(fù)載建立基于FAHCC 的有源濾波器仿真模型，仿真結(jié)果驗(yàn)證該控制策略的可行性。

1 APF 原理

并聯(lián)型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示［3］。其主要由2 部分組成:一是采用單位電壓矢量和模糊控制邏輯計(jì)算參考電流;二是采用模糊自適應(yīng)滯環(huán)比較器產(chǎn)生PWM 開關(guān)信號(hào)。

2 參考電流計(jì)算

參考電流通過采集電網(wǎng)電壓，利用單位電壓矢量和模糊控制邏輯計(jì)算獲得，該算法減少了傳感器的個(gè)數(shù)，可降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度和成本。

圖1 并聯(lián)有源濾波器原理框圖Fig.1 General structure of shunt active power filter

2.1 單位電壓矢量

將采集到的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換為單位電壓矢量，如式(1)所示，這些單位電壓矢量乘以通過FLC 估計(jì)到的電網(wǎng)電流幅值的峰值就可以得到參考電流。

2.2 模糊邏輯控制器

APF 直流側(cè)的母線電壓與設(shè)定的參考給定值進(jìn)行比較可得到偏差信號(hào)，如式(2):

在模糊控制器中，偏差Eerr及其變化量ΔEerr被定義為負(fù)大NL(negative large)，負(fù)中NM(negative medium)，負(fù)小NS(negative small);零ZE(zero);正小 PS(positive small)，正 中 PM(positive medium)和正大PL(positive Large)［4］，如表1所示。采用三角函數(shù)關(guān)系將數(shù)字關(guān)系轉(zhuǎn)換為語言關(guān)系，具體函數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖2所示。

表1 模糊控制規(guī)則Tab.1 Fuzzy control rule

將偏差信號(hào)Eerr與其變化率ΔEerr作為FLC 的輸入，通過模糊邏輯算法得到參考電流幅值的峰值Imax。

圖2 輸入輸出變量的函數(shù)關(guān)系Fig.2 Function for input and output variable

3 PWM 開關(guān)信號(hào)控制器

APF 的性能主要取決于PWM 開關(guān)信號(hào)控制器的特性，本節(jié)將討論自適應(yīng)滯環(huán)比較器和模糊自適應(yīng)滯環(huán)比較器。

3.1 自適應(yīng)滯環(huán)比較器

圖3 為基于自適應(yīng)滯環(huán)比較器的PWM 開關(guān)信號(hào)發(fā)生器的原理框圖［5］。當(dāng)電流偏差eerr(n)超過滯環(huán)環(huán)寬上限時(shí)，下橋臂開關(guān)閉合;相反，如果eerr(n)超過環(huán)寬下限時(shí)，上橋臂開關(guān)閉合，因此，實(shí)際電流將在滯環(huán)環(huán)寬內(nèi)跟蹤參考電流。由APF 交流側(cè)的能量流動(dòng)關(guān)系可得式(3)和式(4)［6］:

圖3 自適應(yīng)滯環(huán)比較器框圖Fig.3 Diagram of adaptive HCC

圖4 APF 開關(guān)函數(shù)關(guān)系Fig.4 Switching function of APF

從圖4 可以得到反映開關(guān)間隔的滯環(huán)環(huán)寬的表達(dá)式如式(5)～式(7)所示。

式中:t1和t2為開關(guān)間隔;fc為調(diào)節(jié)頻率。

由式(5)與式(6)可得式(8):

將式(3)、式(4)和式(7)代入式(8)后可得:

從式(6)中減去式(5)可得:

將式(3)、式(4)和式(7)代入式(10)中可得:

將式(9)代入式(11)可得:

將式(12)簡(jiǎn)化后可得:

式中:vsa為電網(wǎng)側(cè)電壓的瞬時(shí)值;VDC為APF 直流側(cè)母線電壓;L 為交流側(cè)耦合電感。

3.2 模糊自適應(yīng)滯環(huán)比較器

圖5 為模糊自適應(yīng)滯環(huán)比較器的結(jié)構(gòu)框圖。在沒有精確獲得APF 的相關(guān)參數(shù)(直流母線電壓和耦合電感)時(shí)，可采用模糊邏輯得到滯環(huán)的環(huán)寬。將參考電流的變化率和輸入電壓vsa作為模糊邏輯控制器的輸入，經(jīng)過模糊算法處理后，其輸出為模糊自適應(yīng)滯環(huán)比較器的環(huán)寬HB。

通過在不同的點(diǎn)處對(duì)滯環(huán)環(huán)寬進(jìn)行調(diào)制來控制PWM 開關(guān)信號(hào)模式。為保證APF 三相對(duì)稱運(yùn)行，三相環(huán)寬HBa，HBb和HBc大小相同，相位相差120°。基于模糊自適應(yīng)算法的環(huán)寬HB 使開關(guān)調(diào)制頻率fc保持恒定，減少了開關(guān)損耗，改善了APF 的補(bǔ)償性能。

圖5 模糊自適應(yīng)滯環(huán)比較器結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Diagram of adaptive-fuzzy HCC

4 結(jié)果分析

在Matlab 中建立基于模糊自適應(yīng)滯環(huán)電流比較的APF 模型，并以船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)為非線性負(fù)載進(jìn)行仿真。系統(tǒng)參數(shù)如下:電網(wǎng)電壓6.6 kV，頻率50 Hz，推進(jìn)電機(jī)功率2 MW，功率因數(shù)0.9。

4.1 未加APF 時(shí)的仿真結(jié)果

當(dāng)APF 未接入電網(wǎng)時(shí)，其三相電流如圖6(a)所示，對(duì)其中的A 相進(jìn)行傅離葉分析，結(jié)果如圖6(b)所示。

圖6 未加APF 時(shí)的電網(wǎng)側(cè)相電流Fig.6 Phase current of grid without APF

圖7 A 相單位電壓矢量的波形Fig.7 A-phase unit voltage vector

圖9 APF 投入后電網(wǎng)側(cè)相電流Fig.9 Phase current of grid with APF

可見，電流的THD 值已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)限定值。

4.2 加入APF 時(shí)的仿真結(jié)果

圖7 為通過鎖相環(huán)得到的A 相單位電壓矢量的波形。圖8 為APF 直流側(cè)電容兩端的電壓，其紋波很小。圖9(a)為加入APF 后電網(wǎng)三相電流，同樣對(duì)其中的A 相電流進(jìn)行傅離葉分析，結(jié)果如圖9(b)所示。可見，電網(wǎng)電流的THD 值由15.17% 下降至3.71%，已符合船級(jí)社對(duì)于THD 的限定值。

5 結(jié) 語

采用基于模糊邏輯控制算法的三相并聯(lián)有源濾波器對(duì)船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)的諧波電流和無功電流進(jìn)行補(bǔ)償。通過對(duì)模糊自適應(yīng)滯環(huán)比較控制器進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該控制算法在減少電力電子開關(guān)損耗的同時(shí)也改進(jìn)了APF 的補(bǔ)償性能。

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