滑模控制在有源電力濾波器直流側中的應用

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(廣西大學電氣工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

隨著電力電子技術的飛速發展，電力系統中的非線性電力設備的應用日趨廣泛，給電力系統帶來的的諧波污染也日趨嚴重。諧波不僅降低了電網電能的質量而且還有可能導致電力設備的故障。APF能夠對諧波進行動態的跟蹤和補償[1-3]。

補償電流發生電路是并聯型有源電力濾波器的重要組成部分之一。補償電流發生電路由電壓型PWM逆變器、驅動電路以及電流跟蹤控制電路組成，為保證其有良好的補償電流跟隨性能，必須將逆變器的直流側電壓控制為一個適當的值[1]。

滑模變結構控制可以對滑動模態進行設計且與對象參數及擾動無關，這就使得變結構控制具有快速響應、對參數變化及擾動的不靈敏、無需系統在線辨識、物理實現簡單等優點[4]。采用滑模控制設計三相三線制有源電力濾波器的電壓環可以改善系統的魯棒性和補償效果。

2 APF的工作原理

三相三線制并聯型APF的主電路拓撲如圖1所示，APF通過諧波檢測電路檢測并分離諧波成分，在通過PWM電壓型逆變器產生于諧波大小相等方向相反的補償電流補償至電源端，以達到抑制諧波的功能。

圖1 并聯型有源電力濾波器主電路拓撲結構圖

3 APF控制策略

目前，APF直流側控制的傳統方法是在控制過程中采用比例積分調節器進行直流電壓控制，通過APF裝置的PI升壓控制將APF直流側電容電壓值調節到參考值處。PI參數整定方法有自適應比例積分微分控制)、模糊邏輯、神經網絡以及非線性控制方法[5-8]，但該類方法難以在APF裝置中實際應用。

圖2 APF電壓控制原理圖

4 APF軟啟動方法

由于APF的交流側電感很小，直流側僅有電容，如果不經過軟啟動過程直接將較大的指令電流送給指令跟蹤控制電路，將產生很大的沖擊電流，導致直流側電壓波動較大，對功率器件的安全造成威脅[9]。

針對APF啟動的特點提出軟啟動方法和步驟：

(1)預充電過程

開始啟動時，電容處于無電壓狀態，將利用IGBT的反并聯二極管經限流電阻將直流側電容電壓預沖至電網線電壓的峰值537V左右。當直流側電壓檢測回路檢測到電壓達到一定值時,將限流電阻切除。

(2)電壓環軟啟動

切除限流電阻后，啟動電壓環對直流側電壓進行控制。直流側電壓與電壓給定值還有很大的差距，傳統的PI控制在容易引起直流側電壓的超調，進而損害IGBT和直流側電容。而采用滑模控制代替傳統的PI控制，可以實現APF直流側電容電壓平穩上升并達到給定值且無電壓超調。

5 基于趨近律的準滑模變結構控制系統的設計

滑模變結構控制器的設計一般分為兩步：①設計切換平面s(x)，使它具有良好的漸進穩定性和動態性。②設計滿足達到條件的滑模動態控制律u±(x)，從而使在切換面上形成滑模動態[4]。

其中切換面s(x)應滿足滑動模態的達到條件即：

(1)

滑動模態的達到條件僅能保證系統的狀態在有限的時間內到切換面而無法限制趨近運動的軌跡和速度，這樣就會產生很大的抖振。

采用趨近律的方法設計滑模控制器，對系統向切換面的運動過程進行控制可以有效的減小抖振。

(2)

則有狀態方程為：

(3)

(4)

設滑模切換面方程為：

(5)

式中c為常數。

采用冪次趨近律設計滑模控制器，冪次趨近中，趨近速度由運動點到切換面的距離的大小決定，距離越遠速度越大，隨著運動點距離切換面越來越近，趨近速度逐漸減小，保證了快速趨近的同時削弱了抖振。冪次趨近律：

(6)

式中,ε和α都是常數;slaw為滑模控制器的趨近律，其中sgn(s)為符號函數。

由于變結構控制是一種非線性控制，在實際應用中，由于存在著時間的延遲和空間的滯后等限制因素，往往使光滑的滑動模態疊加了抖動。從相軌跡的方面來說，理想的滑模動態控制是使在一定范圍內的狀態點都被吸引至切換面。設置一領域使一定范圍內的狀態點都被吸引至領域內，通常將此領域稱為邊界層。它可以使控制系統在邊界層內進行結構變換而不需要再切換面上進行變換，從而削弱了抖動。這采用飽和函數sat(s)代替控制律中的符號函數sgn(s)：

(7)

式中q=1/Δ，Δ為大于0的常數。

將式(5)～(7)帶入式(3)中得到準滑動控制控制律：

(8)

6 仿真結果與分析

采用滑模控制時APF直流側的電壓如圖3所示。由圖3可知在0～0.18s期間直流側電容由IGBT的反并聯二極管進行充電。當0.18s時電容充電到接近線電壓峰值500V，切除限流電阻，解鎖IGBT驅動脈沖，引入控制器對電容繼續充電。滑模控制下的電容電壓上升平緩，且無電壓過沖，在0.3s左右到達700V，并保持不變，實現了軟啟動。

APF的電源側a相補償前(后)電流如圖4所示，由圖4可以看出在0.18s投入滑模控制器后的電源側a相電流側電流接近正弦，且過沖電流很小，實現軟啟動。

圖3 APF直流側電壓

圖4 APF的電源側a相補償前(后)電流

APF的電源側a相補償前后電流頻譜如圖5所示，由圖可看出補償后電源側的諧波率由補償前的25.22%下降到3.42%，補償效果良好，驗證了滑模控制在并聯型有源電力濾波器直流側的應用的可行性。

圖5 APF的電源側a相補償前(后)電流頻譜

7 結語

根據傳統的直流側電壓控制策略所存在的不足，結合滑模控制理論設計了一種基于趨近律的滑模控制方法用于實現軟啟動和提高魯棒性。通過MATLAB對該控制算法進行了仿真，驗證了該算法的正確性，仿真結果表明該控制算法具有良好的動態性能及魯棒性，并且實現了軟啟動，抑制了過沖電壓。相對于傳統的控制方法有著更加優越的性能。