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基于PI-模糊复合控制器的有源电力滤波器自适应电流控制
- 介绍
随着电力电子技术的发展，电力系统中产生无功电流和无功电流的非线性负荷不断增加。谐波对电力系统的安全运行有一定的影响。各种电气设备，都会对设备和电力系统造成严重的破坏。有源电力滤波器对谐波和无功电流的频率和幅值的变化起着重要作用。补偿是谐波抑制的一个重要趋势，也是当前电力电子技术领域的研究热点。
近年来，有源电力滤波器是一种新型的有源电力滤波器。实现电网谐波电流的有效装置，在现代社会中受到越来越多的关注；包括谐波检测、拓扑研究、谐波检测等方面的研究，系统建模和控制方法成为很有前途的课题，新型的智能控制和自适应控制方法得到了大量的发展，是目前众多的跟踪控制方法，如单周控制、电流控制、空间矢量控制等。控制、滑模控制、递阶控制、重复控制、预测控制、模糊控制、自适应控制、迭代学习控制和人工神经网络控制。Et艾尔。[1]介绍了混合电力滤波器和无功率滤波器在仿真和实验两方面的比较研究。C.等人[2]执行前三相有源电力滤波器非线性控制技术的设计。王和罗[3]对基本成分中的死区时间进行了定量模拟分析。谐波域C.等人[4]对考虑开关损耗和高频电流的固定电流控制和自适应电流控制进行了回顾和仿真。Singh等人[5]经审查的现行用于改善电能质量的ER滤波器。Singh等人[6]提出了一种新的三相有源电力滤波器的无功补偿控制方法。和[7]公共关系提出了一种新的基于Lyapunov函数的单相再匹配控制策略.和[8]总结了控制的软计算技术。常和[9]提议n奥威尔参考人补偿电流控制策略。C.等人[10]提出了一种模型参考自适应控制器，用于控制电路，改善电流，降低电流。给出了单相重熔的近似动力学模型.C.等人[11]通过滑模控制，给出了单相再分配的反馈方法。华等人[12]给予控制权利用李雅普诺夫分析方法分析了一种新方法。C.等人[13]比较了三相四线制的不同控制策略。C.等人[14]设计了自适应控制器f或在动态负载和线路阻抗存在的情况下进行有源滤波器。C.等人[15]开发了鲁棒非线性控制器来补偿有源滤波器的谐波电流。亚细亚Am等人[16]提出了单相电压源Boost型桥式变换器在整流模式下的间接电流控制。其他一些控制方法及谐波抑制[17-19]已调查了类似的疼痛。Singh等人[20]提出了一种简单的基于模糊逻辑的鲁棒性，适用于随机负荷变化下的再匹配。C.等人[21]研制了T型负荷补偿的s-模糊控制器APF。
图1：APF基本电路结构
然而，有源电力滤波器直流电压或交流电流补偿的跟踪问题大多是单方面控制的，无法实现准确、快速和高适应性的全局控制。控制目标。本文对模糊逻辑控制器进行了研究，由于难以建立精确的数学模型，经典的线性控制器是无法实现精确数学模型的。研究了交流侧电流的理想直流电压跟踪性能和自适应电流跟踪控制方法。提出的自适应电流控制方法基于PI-模糊复合控制器的电力有源滤波器不仅可以利用不依赖系统动力学的模糊控制，而且具有良好的暂态、稳态性能。它不仅具有很强的鲁棒性，而且还具有精确的跟踪性能、模型不确定性的在线实时补偿和外部扰动。因此基于PI-模糊复合控制器的自适应电流控制方法可
以大大提高有源滤波器补偿的电流跟踪和电压控制性能。拟议中的公司战略有以
下优点：
- 综合了自适应控制和模糊控制的优点，并将其应用于有源电力滤波器。为了提高电压跟踪精度，提出了一种PI-模糊控制器。用于直流侧电容电压控制。在Lyapunov分析的基础上，提出了一种用于交流侧电流补偿的模型参考自适应控制器。
- 提出的自适应电流检测方法。基于PI-模糊复合控制器的l方法能更好地处理系统和非线性负载，提高了控制系统的电流跟踪能力和鲁棒性。控制方法模糊控制具有很强的非线性负载补偿能力，改善了电流跟踪和总谐波失真性能。
- 有源电力滤波器的动态模型
本文研究了并联单相电压有源电力滤波器，并结合线性化模型[9]描述了有源滤波器的动态模型。电路图如图1所示。
所需的图1所示的有源滤波器可以分解为两个工作模式，如图2所示。假设开关转换器频率为Fs，转换周期为Ts=1/Fs，占空比为D=Ton/Ts,在模式(1)中，当0lt;tlt;DTs,Q2和Q3打开，Q1和Q4关闭，在模式(2)中，当DTslt;tlt;Ts ,转换过程是相反的模式。Q2和Q3关闭，Q1和Q4被打开。根据图2，我们可以建立单相有源滤波器的动态模型如下：
图2：APF两个开关状态的等效电路图
由(1)可以得到逆变器在一个周期内的平均状态方程。
当D isin; [0, 1] (2)产生下列表格：
为了简化控制器的设计，在平衡点附近推导了非线性模型的近似线性模型。如果X=X0和D=D0满足
然后(X0，D0)可以称为非线性模型的平衡点。因此，将(3)的右侧扩展为泰勒级数约(X0，D0)，忽略高阶项如下：
假设Xamp;=X-X0，Damp;=D-D0，则可以得到线性模型：
非线性模式在点(X0，D0)的电容电压和电流可以描述为
其中X02和X01分别是Uc和iL的等效值。占空比可以表示为
- 自适应电流控制
在本节中，导出了用于交流侧电流补偿的自适应电流控制。模型参考自适应控制系统的示意图如图3所示。我们可以获得ST(7)受控模型的ATE方程如下：
其中
可以获得参考模型
其中
将跟踪错误定义为
提出了一种自适应控制器。
其中操作和操作分别是闭环系统的反馈和前馈增益。将(13)代入(10)产率
图3：MRAC系统基于状态变量的系统架构。
存在诸如以下匹配条件的最佳参数Flowast;, Klowast;，以满足以下匹配条件(15)：
将（14）、（15）代入到跟踪误差的导数中，单位为：
其中
定义Lyapunov函数
其中M,N是正定约，则是方阵的迹.由于Am是一个稳定的正对称矩阵，所以存在一 个唯一的正定对称矩阵P满足后面的，其次的:
其中是肯定的。将(16)代入式(1)的衍生物
图4：PI-模糊复合控制
利用矩阵迹的性质(19)可以
降至我们选择了自适应律
这种自适应定律产生而则是以零为单位，
- PI-模糊复合电压控制
针对直流侧电容电压控制，设计了PI-模糊复合控制器.PI-模糊复合控制器结构如图4所示.当系统进入瞬态时模糊控制器能提高系统的动态性能。相反,当系统进入稳态时，PI控制器可以消除系统的稳态误差，提高系统的稳态性能。电压误差的绝对值。
在图4中，PI控制器的参数是通过一般的调优方法设置的。利用各采样时间的电压偏差和模糊规则，模糊控制器可以快速、有效地进行判断。.PI-FUZZY复合控制器的优点在于它能在不同工况下自动切换PI控制与模糊控制，从而具有近似的优点。从而在保证控制精度的前提下，提高系统的速度和鲁棒性。两个控制器之间的切换取决于实际运行的指示符。-时间系统。控制程序连续运行，监控控制系统的输入输出特性，并自动协调两个控制律之间的关系。
图5：三角隶属函数。
图6：有源滤波器APF DC电容电压的变化曲线。
由于双输入模糊控制类似于比例微分(PD)控制.作为一种新的非线性系统，直流电压的小幅度波动在调节过程中是非常重要的。有能力。为了减少控制器的导数作用所带来的干扰，我们采用一维模糊控制器，在实际电压和实际电压之间选择偏差(PD)。DC侧的参考电压作为模糊输入变量，并选择其作为模糊。输出变量u，其中是栅极注入主电路的有源电流的控制量。
模糊输入定义为是直流电容器电压的真实值。初次
参考电压,在尺度变化后，让输入变量的宇宙和输出变量u的模糊控制器是
选择宇宙中的七个语言变量：NB、ACL、NS、ACL、PS、PM和PB。输入变量和输出变量u被选择为重叠对称三角形成员关系有趣。如图5所示。模糊控制规则是模糊控制的核心，因此如何建立模糊控制规则成为一个关键问题。模糊控制规则是最优的控制规则。描述人类行为和决策分析过程的方法，建立了模糊输入变量与模糊输出变量之间的联系。NTENCES。图6是根据该曲线可以开发模糊控制规则的变化过程的有源滤波器DC电压基准曲线。根据变化过程可以得到模糊控制规则图6所示的曲线和直流侧电容电压控制的现有经验如表1所示。包含模糊关系的模糊推理系统就像“如果e是A，那么就是u是C”一样。该方法通过选取重心的面积，得到模糊控制器的输出值，即网格输出值。有效电流的量，以被注入有源滤波器主电路。
图7：模糊控制规则表。
图8：模糊控制器输出曲线。
图9：有源电力滤波器综合仿真模型。
表1：直流侧电容电压模糊控制规则。
- 仿真研究
模糊控制器由MATLAB模糊控制编辑器完成，模糊控制规则表和模糊控制器输出曲线分别如图7和图8所示。
根据如图3和图4所示，建立了基于参考自适应控制和复合控制策略的有源电力滤波器综合模型。包括非线性负载模块(非线性负载)、谐波电流检测模块(谐波产生器)、滤波主电路(主电路)。在适当的电压和c内作为开关，选择PWM转换模块(PWMCreator)、自适应电流跟踪补偿模块(MARC控制器)和DC侧电容器电压模糊-PI复合控制器。L模块（FUZZY-PI控制器）等。
在基于PI-模糊复合控制的有源电力滤波器和滞环电流控制的自适应电流控制仿真中，DC电容R电压PI-Fuzzy复合控制参数为。为了比较的目的，DC电容器电压常规的PI控制参数与在相同。
根据表2的参数，从(9)、(8)和(7),D0=0.24
图10：无有源滤波器的电网电流波形。
图11：基于PI-模糊复合CON的自适应电流控制电网电流波形
图12：用PI-模糊复合跟踪直流电容器电压波形
可分别获得。(17)和(18)中的正定矩阵被选择为
分别。(21)中的自适应增益是
关于参考模型，它被设计为过阻尼系统，阻尼比为上升时间
图13：传统PI控制与非线性负载切换模糊PI复合控制的直流电容电压跟踪波形放大图。
图14：MRAC控制器前馈增益的自适应增益
可获得0．30rad／s的自然频率，调节时间为参比模型的2个极可以为和。然后和
可以确定。
在仿真过程中，非线性载荷发生了两次变化：第一次是在0.4s时，将并行非线性载荷加入到系统中；第二次是在s时，非线性载荷合并到t中。0.4s的系统被移除.图10显示了电网电流波形。可见，由于非线性负载的影响，电网电流波形存在严重的畸变。无花果11是基于PI-模糊复合控制的自适应电流控制的电网电流波形.如图11所示，随着输入的增加，电网电流畸变得到了明显的改善。再联系。此外，在图10和图11中，(B)是(A)的缩放。图12是采用PI-模糊复合控制的直流电容器电压跟踪波形，而蓝线代表直流电容电压。直流电容电压图13比较了传统PI控制和模糊PI复合控制与非线性负载切换的直流电容电压跟踪。从图13中可以看出，采用PI-模糊复合控制器的直流电容电压比无模糊复合控制器具有更小的精度、更好的稳态精度、更强的鲁棒性和电压整定能力。l PI控制。
从图14和15可以看出，前馈增益和反馈增益在短时间后收敛到稳定值。这两个自适应参数在线更新以使得该电流尽可能近地轨道参考模型。
图16显示了非线性负载导致的网格电流，其中包含大量更高的电流，其中=等高线%。图17用PI-模糊控制方法绘制谐波含量图。l，其中THD=45.80%。图18给出了基于PI模糊控制的自适应电流控制的总谐波含量，其中THD=5.79%。和18都是用60赫兹测量的，电流是一样的。结果表明，采用PI-模糊复合控制的自适应电流控制是有效的。
结果表明，采用PI-模糊控制的自适应电流控制可以提高电流跟踪和性能。从而提高了系统的控制性能和鲁棒性。非线性载荷可以得到改善。
6.结语
本文建立了有源电力滤波器的近似数学模型；建立了交流侧电流模型参考自适应电流跟踪控制方法；设计了直流电容调压的三维控制系统。仿真研究证明
图15：MRAC控制器反馈增益的调整。
图16：无有源电力滤波器的电网电流。
图17：基于PI-模糊复合控制的有源电力滤波器控制电网电流
图18：基于PI-模糊复合控制的电网电流自适应控制。
基于PI-模糊复合控制的自适应电流控制方法不仅能调节直流电容电压,而且能跟踪交流电流指令信号,消除谐波,提高电能质量和系统鲁棒性。
参考文献
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