摘要：随着我国工业和经济的快速发展，大量的非线性设备投入运行，导致电网中产生大量电力谐波，严重降低了电能的质量，影响用户的安全生产，同时对于电网的稳定运行也产生了较大的威胁。而有源电力滤波器是目前治理配电网谐波的重要手段，但是在其运行中存在能量损耗，导致直流侧电压产生波动，影响谐波补偿性能，为此本文将提出一种模糊PI控制方法，有效提高直流侧电压的稳定性。
关键词：有源电力滤波器，谐波补偿，模糊PI控制
1.引言
随着我国工业的发展，各种电力电子设备数量持续增加，这些电力电子设备在工作过程中产生了大量的谐波，这些谐波导致电网中的电压和电流严重失真。同时在谐波在流入电网后，还会给电网中的用户带来很大的损害，特别是一些敏感设备（如计算机，精密仪器等），较差的电能质量会严重影响这些设备的运行。目前电力系统中的谐波污染问题已经成为了我国急需解决的问题。
有源电力滤波器作为配电网谐波治理的主要手段，具体结构如图1所示，这种装置在运行过程中，通过采集负载侧的谐波电流，控制算法生成相应的驱动脉冲来驱动变流器生成和电网谐波电网幅值相等、方向相反的补偿电流，将其注入电网中，与谐波电流相抵消，达到补偿谐波电流的目的。
图1 APF的组成结构图
有源电力滤波器运行产生的能量损耗会使有功能量减小，引起直流侧电压下降。为了能够满足实时性和降低谐波畸变率的要求，需要对直流侧储能电容两端的电压加以控制。通过分析可知各相的有功功率的代数和即为三相电力系统总的有功功率。如果不考虑能量损耗，交流侧全部瞬时有功功率将会全部转移到直流侧。由此可见，瞬时有功功率决定交流侧和直流侧之间能量的交换。
在传统的控制方法中，主要利用PI控制器来实现实现直流侧电压的调节，但是PI控制方法在参数的选择过程中对于模型的依赖程度较高，而APF在实际运行的过程中，由于系统的复杂性，导致模型在建立的过程中存在部分不确定性，进而导致PI控制器在参数的选择上难度较大。同时由于PI控制在实际调控过程中，容易出现超调现象，严重干扰系统的稳定性。为了解决传统的PI控制在实际运行过程中的问题，一般采用其他的控制策略与之相结合，而本文将采用模糊控制来解决传统PI控制存在的问题。
2.模糊PI控制器
在使用模糊控制时，由于输入量主要采用误差以及误差的变化率来实现控制，但是不能清除系统的稳态误差，而传统的PI控制能够有效清除系统中的稳态误差，但是由于PI的参数整定难度较大，适应能力较弱，整体的鲁棒性较差。为此本文将结合这两种算法的有点，利用模糊PI控制器来实现直流侧电压的控制。模糊PI控制器不仅能够清楚系统中的稳态误差，还具有较好的鲁棒性，目前已经在很大工程领域中已经发挥了重要的作用。
目前模糊PI控制器主要分为参数自整定型模糊PI控制、双模糊型模糊PI控制以及开关切换型模糊PI控制。在这三种控制算法中，性能最为优越的主要是开关切换型模糊PI控制，这种控制算法的具体结构如图2所示，由图可知，在系统中的设定值小于系统的偏差时，将采用模糊控制器来抑制不确定因素，进而降低不确定因素对系统的影响。如果所设定的值大于系统的偏差时，此时将利用PI控制器来消除系统中的稳态误差，这种控制算法的具体规则如下：
（1）
图2 开关切换模糊PI控制原理框图
在图3所示的控制结构中，在运行过程中不能实现PI控制的变量调整，为了解决该问题，有学者提出了图2所示的模糊PI控制器结构，这种结构能够利用模糊控制器来实现PI控制中的变量调节，具体的调节如式（2）所示。
图3 调节PI参数的模糊PI控制器
（3）
在式（3）中，将直流侧电压的误差值e(k)和误差的变化率ec(k)输入到模糊控制器中，并采用设定的模块FC来实现PI控制器的参数Kp、Ki调整，这种算法虽然相对于传统的控制方式有了较大的改进，但是由于在模糊控制方法中一般采用单输入的方式，这导致了在实际的实现过程中难度较大。
为了设计出可靠的模糊PI控制器，本文将提出一种双模糊控制器的模糊PI复合控制方式，这种控制方式能够有效实现系统的单输入和单输出功能，同时这种控制结构具有较高的动态响应能力，并有效降低系统的稳态误差，具体的控制结构如图4所示。
图4 双模糊控制器的模糊PI控制原理框图
在实际的运行过程中，如果实际的输入误差大于设定的预设值，系统将直接切换到模糊控制1，如果设定值大于系统的输入误差，那么将切换到模糊控制器2上，当系统处于稳定状态时，此时系统的输入误差将为0，那么此时将直接利用PI控制器进行控制。这种控制器在运行过程中，可以有效实现精准控制，提高直流侧电压的稳定性，但是这种控制方法在实现过程中难度较大，为此本文将对这种方法进行简化。
3.改进型控制器的设计
为了避免双模糊控制器中的模糊PI控制器的设计复杂性，本文将对这种方法进行改进。在APF运行过程中，直流侧电压的波动主要与有功功率的损耗有关，在实际的控制过程中，主要将直流侧电压的实时值与给定参考值的误差作为输入信号，但是在实际运行过程中，由于空载电流的作用会对补偿的效果产生影响，同时由于直流侧两端电压的平稳性会降低系统的动态性能。为此，本文将采用直流侧电压误差值的平方
作为模糊PI控制器的输入信号，直流侧电压误差值的平方
具体可以下式表示：
（4）
其中uref表示给定的参考电压，udc表示直流侧实际的电压，此时具体控制器原理框图如图5所示。
图5 基于电压偏差平方的模糊PI 并联双通控制器原理框图
由图4可知，被控对象的输入主要是由PI控制器和模糊控制器的输出量组成。具体的控制流程如图6所示，传统的PI控制对于数学模型的依赖程度较高，这导致传统的PI控制在实际运行过程中鲁棒性较差，很难满足实际的控制效果。而本文所设计的模糊PI控制器，采用直流侧电压误差的平方作为输入，可有效避免空载电流对幅值的影响，在控制直流侧电压的过程中，能够有效抑制直流侧电压的波动，使得系统快速进入稳定状态，不仅保留了传统PI控制能够清楚稳态误差的特点，还增强了系统的鲁棒性。
图6 基于电压偏差平方的模糊PI并联双通控制器流程图
4.仿真验证
为了验证所设计的有源电力滤波器治理谐波效果，利用MATLAB进行相应的仿真。在本系统中，电源采用相电压为380V的三相电压进行仿真，频率为50Hz，直流电容采用6800μF，直流侧的参考电压设置为750V，谐波电流的额定值为50A，非线性负载采用三相不可控的整流电路进行仿真。图6所示的是APF滤波后的A相负载电流波形，由图可知此时电流波形较为光滑，图7所示的是其相对于的电流FFT分析结果，由图可知此时畸变率仅为1.98%。图8所示的是直流侧电压波形曲线，此时的电压较为平稳。
图6 APF滤波后负载侧电流波形
图7 APF滤波后负载侧电流的畸变率
图8 直流侧电压曲线
5.结论
本文提出一种改进的模糊控制器来解决传统PID控制器在有源电力滤波器直流侧电压控制过程中出现的问题，并通过MATLAB仿真验证了本文所设计的有源电力滤波器直流侧电压可有效抑制直流侧电压波动情况。
6.参考文献
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要求标注“扬州大学大学生科技创新基金资助”
论文作者:戴瑞然,黄云帆,陈伟强,鲁彩华,李凤达
论文发表刊物:《电力设备》2019年第4期
论文发表时间:2019/7/5
标签：控制器论文; 电压论文; 谐波论文; 模糊论文; 误差论文; 过程中论文; 电流论文; 《电力设备》2019年第4期论文;