本發(fā)明屬于電力濾波技術(shù)領(lǐng)域，更為具體地講，涉及一種單相并聯(lián)有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制方法。

背景技術(shù)：

近幾年，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大量非線性負(fù)載投入到電力系統(tǒng)中，使得諧波污染越來(lái)越嚴(yán)重。由于有源電力濾波器(Active Power Filter，APF)能夠有效地補(bǔ)償諧波，因而吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的深入研究。主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略是影響APF補(bǔ)償效果的主要因素。實(shí)際APF是以電流為內(nèi)環(huán)、直流側(cè)電壓為外環(huán)的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)；其中，直流側(cè)電壓構(gòu)成的外環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)APF的補(bǔ)償效果具有重要影響。

目前，對(duì)APF直流側(cè)電壓控制大多采用傳統(tǒng)PI控制；雖然該方法提高了APF的補(bǔ)償性能，但PI控制依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性差，易引起電壓超調(diào)和電流沖擊，導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)壓、過(guò)流保護(hù)動(dòng)作，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致IGBT等器件的過(guò)流擊穿，而且補(bǔ)償性能不太明顯。為了改進(jìn)該方法的不足，學(xué)者在此基礎(chǔ)上提出了一種新的控制策略，即模糊自適應(yīng)PI控制策略。該方法不依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，能克服非線性因數(shù)的影響，魯棒性強(qiáng)，有效提高了APF的補(bǔ)償性能，但存在補(bǔ)償精度不高、超調(diào)量大、響應(yīng)速度慢等缺點(diǎn)。

由于APF本身存在線路電阻的開(kāi)關(guān)損耗帶來(lái)的有功損耗，以及工作狀態(tài)變化時(shí)需要吸收一定的有功功率，導(dǎo)致有時(shí)會(huì)影響電壓的波動(dòng)，以及直流側(cè)欠電壓或過(guò)電壓，從而危及裝置的安全可靠運(yùn)行。這就要求直流側(cè)電壓的參考值即能減少功率損耗，同時(shí)也能確保APF的補(bǔ)償性能。

在文獻(xiàn)(李智華,劉振,呂振彬.有源電力濾波器直流側(cè)電壓的模糊自適應(yīng)控制[J].電源技術(shù),2010,34(06):582-585.[1002-087X(2010)06-0582-04])中，提出了一種有源電力濾波器直流側(cè)電壓的模糊自適應(yīng)PI控制方法。其原理是利用給定的直流側(cè)電壓參考值和實(shí)時(shí)檢測(cè)到的直流側(cè)電壓做比較，然后將比較值通過(guò)模糊自適應(yīng)PI控制器進(jìn)行誤差調(diào)節(jié)，輸出有功電流調(diào)制信號(hào)，并將其疊加到瞬時(shí)有功電流的直流分量上，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。該方法能提高APF補(bǔ)償性能，但效果不明顯，因?yàn)闆](méi)有考慮APF直流側(cè)電壓與功率損耗以及補(bǔ)償能力之間的關(guān)系，使用給定的直流側(cè)電壓參考值，很難實(shí)現(xiàn)APF的有功功率損耗與補(bǔ)償性能的綜合優(yōu)化。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服有源電力濾波器直流側(cè)電壓的模糊自適應(yīng)PI控制方法的不足，提出了一種有源電力濾波器直流側(cè)電壓的下垂模糊自適應(yīng)PI控制方法。該方法能夠利用APF直流側(cè)電壓與功率損耗以及補(bǔ)償能力之間的關(guān)系來(lái)獲取直流側(cè)電壓參考值，再通過(guò)模糊自適應(yīng)PI控制器調(diào)節(jié)，最后實(shí)現(xiàn)APF的有功功率損耗與補(bǔ)償性能的綜合優(yōu)化。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

1)先通過(guò)下垂控制得到APF直流側(cè)電壓的參考值U_ref。

將單相電路的電壓u_s和電流i_s通過(guò)相位延遲得到對(duì)稱三相電壓u_abc和三相電流i_abc；三相電壓u_abc和三相電流i_abc經(jīng)過(guò)Park變換得到靜止坐標(biāo)下的兩相電壓u_αβ和電流i_αβ；再經(jīng)過(guò)功率計(jì)算得到瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q；最后，通過(guò)下垂控制器得到U_ref。Park變換如下：

和

功率計(jì)算公式：

參考電壓的合成公式：

和

2)將1)中得到的直流側(cè)電壓參考值U_ref和實(shí)時(shí)檢測(cè)的直流側(cè)電壓U_dc做比較，將比較值記作e,其變化率記作e_c。然后將兩者作為模糊控制器的輸入，通過(guò)對(duì)輸入量的模糊化，可以得到e和e_c兩者的基本論域定義為(-12，+12)，兩者的量化因子k_e和k_ec都為0.5。模糊控制器的輸出為Δk_p和Δk_i，兩者的基本論域定義為(-6，+6)，兩者的比例因子k_u為0.05；再確立隸屬度函數(shù)，即輸入e，e_c和輸出Δk_p，Δk_i的模糊子集中NB(負(fù)大)都選擇zmf型隸屬度函數(shù)，“PB”都選擇smf型隸屬度函數(shù)，其余語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)都選擇三角形隸屬度函數(shù)(trimf)；其次，通過(guò)依據(jù)模糊控制規(guī)則表對(duì)Δk_p和Δk_i進(jìn)行自整定；最后，通過(guò)模糊推理算法和解模糊化方法對(duì)輸出量Δk_p和Δk_i進(jìn)行清晰化。

3)把2)中解模糊化后的Δk_p和Δk_i，作為PI控制器的輸入，PI控制器輸出為k_p和k_i。設(shè)定：k_p＝k_p^*+Δk_p，k_i＝k_i^*+Δk_i；模糊控制規(guī)則在線地對(duì)PI參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)修正，得到合適的PI控制器參數(shù)k_p，k_i，最終得到理想的補(bǔ)償有功電流值Δi_p。

本發(fā)明有益效果如下：

針對(duì)有源電力濾波器直流側(cè)電壓的模糊自適應(yīng)PI控制方法的效果不理想等問(wèn)題，本發(fā)明提出了單相并聯(lián)有源電力濾波器直流側(cè)電壓的下垂模糊自適應(yīng)PI控制方法。該方法利用APF直流側(cè)電壓與功率損耗以及補(bǔ)償能力之間的關(guān)系，采用下垂控制器來(lái)獲取直流側(cè)電壓參考值，然后將參考值和實(shí)時(shí)檢測(cè)的直流側(cè)電壓的比較值經(jīng)過(guò)模糊自適應(yīng)PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)。該方法能夠保證APF工作過(guò)程中直流側(cè)電壓保持很高的穩(wěn)定性。相對(duì)于模糊自適應(yīng)PI控制方法，該方法具有響應(yīng)速度更快、超調(diào)量更小等優(yōu)點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了APF的有功功率損耗與補(bǔ)償性能的綜合優(yōu)化，滿足了直流側(cè)電壓控制的要求。

附圖說(shuō)明

圖1單相并聯(lián)型APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2下垂模糊自適應(yīng)PI控制框圖

圖3模糊自適應(yīng)PI控制框圖

圖4模糊自適應(yīng)PI控制方法的直流側(cè)電壓響應(yīng)圖

圖5下垂模糊自適應(yīng)PI控制方法的直流側(cè)電壓響應(yīng)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行描述，以便本領(lǐng)域的技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明。需要特別提醒注意的是，在以下的描述中，當(dāng)已知功能和設(shè)計(jì)的詳細(xì)描述也許會(huì)淡化本發(fā)明的主要內(nèi)容時(shí)，這些描述在這里將被忽略。

1)圖1為單相并聯(lián)型APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單相并聯(lián)型APF拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由電壓源型逆變器和L型濾波器電感組成；負(fù)載部分采用單相不可控整流電路。其中，U_dc為直流側(cè)電壓，L_c為濾波電感，u_s為單相電源電壓，L和R分別為負(fù)載電感和電阻，i_s、i_l和i_c分別為電網(wǎng)電流、負(fù)載電流和補(bǔ)償電流。

2)圖2為本發(fā)明提出的下垂模糊自適應(yīng)PI控制原理框圖。u_s，i_s分別為單相電路的電壓和電流。對(duì)稱三相電路的電壓和電流波形是相同的，只是相位互差120度，因此可通過(guò)相位延遲得到三相電壓u_abc和電流i_abc。經(jīng)過(guò)Park變換得到靜止坐標(biāo)下的電壓和電流。再經(jīng)過(guò)功率計(jì)算得到瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無(wú)功功率q。最后，通過(guò)下垂調(diào)節(jié)器得到U_ref。

其中，Park變換如下：

和

功率計(jì)算公式：

將p和q帶入p-f和q-v下垂方程得到：

其中，ω₀和U_0m分別為單相電路額定角速度和額定電壓幅值,ω₀＝314rad/s，U_0m＝311v；p₀和q₀分別為其指定的有功功率和無(wú)功功率的輸出，p₀＝14kw，q₀＝0kVar；k_p和k_q為p-f和q-v對(duì)應(yīng)的下垂系數(shù)，k_p＝1e-5，k_q＝3e-4；U_m和ω分別為經(jīng)下垂方程調(diào)整后的相電壓幅值和角速度。

APF的功率損耗主要是主電路中開(kāi)關(guān)器件的損耗。在開(kāi)關(guān)頻率不變、主電路交流側(cè)輸出電流穩(wěn)定的情況下，APF的損耗與直流側(cè)電壓成線性關(guān)系。而主電路輸出電流中的諧波主要來(lái)源于不可控整流電路輸出電壓U_out中的諧波和單相電源電壓。定義不可控整流電路輸出電壓幅值調(diào)制比D為:

其中，

U₁表示基波分量，U_k、U_l分別表示諧波分量，φ₁表示基波相位角，φ_k、φ_l分別表示諧波相位角，ω表示信號(hào)角頻率，n＝1,2,3，…。

考慮到單相電路中含除基波之外的各次諧波，以及非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波最嚴(yán)重的狀況，所以不可控整流電路輸出最大電壓U_outM，需要滿足:U_out≥U_outM。

其中U_outM為：

U_m表示下垂調(diào)節(jié)后電源電壓，L_c表示濾波電感，I₁表示基波電流，I_k、I_l分別表示諧波電流，

由調(diào)制比D表達(dá)式和U_outM表達(dá)式可知：

為確保APF工作時(shí)，D穩(wěn)定在最大值，由上述可知：

綜上可知：ΔU_out決定了APF的補(bǔ)償性能。在線性調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，單相電源電壓會(huì)有±10％的波動(dòng)。為實(shí)現(xiàn)APF功率損耗與補(bǔ)償?shù)木?，可采用下垂控制器?lái)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的優(yōu)化控制。通過(guò)下垂調(diào)節(jié)控制器，得到參考電壓U_ref為：

3)圖3為模糊自適應(yīng)PI控制原理，模糊控制器的輸入為誤差e和誤差變化率e_c，輸出為Δk_p和Δk_i。在模糊自適應(yīng)PI控制下，PI控制器輸出為k_p和k_i。設(shè)定：k_p＝k_p^*+Δk_p，k_i＝k_i^*+Δk_i；其中，k_p^*和k_i^*分別為PI控制器k_p和k_i參數(shù)初始值；其中，Δk_p和Δk_i分別為模糊控制器的輸出值。

由上述分析可知：模糊自適應(yīng)PI控制器的設(shè)計(jì)分成兩部分：1)模糊控制器的設(shè)計(jì)；2)PI控制器參數(shù)的選取。

①依據(jù)模糊控制理論，對(duì)模糊控制器的設(shè)計(jì)分成以下三點(diǎn)：

一、語(yǔ)言變量的模糊化：設(shè)定系統(tǒng)輸入誤差e和誤差變化率e_c的語(yǔ)言變量為E和EC，兩者的基本論域定義為(-12，+12)；將其模糊子集的論域都定義為：E，EC＝{-6，-4，-2，0，2，4，6}；其模糊子集為：E，EC＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；e和e_c的量化因子k_e和k_ec都為0.5；將輸入PI的兩個(gè)系數(shù)Δk_p，Δk_i的基本論域定義為(-6，+6)；將其模糊子集的論域都定義為：Δk_p，Δk_i＝{-0.3，-0.2，-0.1，0，0.1，0.2，0.3}；其模糊子集都為：Δk_p，Δk_i＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}；輸出控制量的比例因子k_u為0.05。在輸入輸出中，{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}表示{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。

考慮到對(duì)論域的覆蓋程度、準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性、魯棒性，輸入e，e_c和輸出Δk_p，Δk_i的模糊子集中NB(負(fù)大)都選擇zmf型隸屬度函數(shù)，“PB”都選擇smf型隸屬度函數(shù)，其余語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)都選擇三角形隸屬度函數(shù)(trimf)。

二、模糊控制規(guī)則的建立：模糊控制規(guī)則是對(duì)專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，根據(jù)前面的設(shè)定可設(shè)計(jì)出49條模糊規(guī)則，規(guī)則表如下：

三、模糊推理算法和解模糊化方法的確立：選取Mamdani型模糊推理算法，在模糊控制理論中，該方法是模糊控制規(guī)則形成的主要理論依據(jù)。而解模糊化選擇加權(quán)平均法，適合輸出模糊集的隸屬度函數(shù)是對(duì)稱的情況。

②PI控制器參數(shù)的選取

為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，降低超調(diào)量，達(dá)到增加系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。根據(jù)不同的誤差和誤差變量，對(duì)提出的PI控制器參數(shù)k_p，k_i設(shè)定規(guī)則：當(dāng)|e|和|e_c|較大，且e和e_c同號(hào)時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，k_p，k_i值應(yīng)選取得大一些；反之，k_p取值要適中，而k_i取值應(yīng)較小。

根據(jù)上述理論分析，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)ΔU_dc值應(yīng)選擇適中。首先將k_p和k_i都設(shè)定為1.2，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整，發(fā)現(xiàn)當(dāng)k_p為0.95，k_i為1.5時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)速度較好，且穩(wěn)定性更佳。

4)圖4為現(xiàn)有的模糊自適應(yīng)PI控制方法的直流側(cè)電壓響應(yīng)圖，圖5為本發(fā)明提出的下垂模糊自適應(yīng)PI控制方法的直流側(cè)電壓響應(yīng)圖，由圖可以看出：相對(duì)于模糊自適應(yīng)PI控制方法，下垂模糊自適應(yīng)PI控制方法的響應(yīng)更快、超調(diào)量更小，且能更快地達(dá)到穩(wěn)定值。

盡管上面對(duì)本發(fā)明說(shuō)明性的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于具體實(shí)施方式的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見(jiàn)的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。