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Uref。
將單相電路的電壓us和電流is通過(guò)相位延遲得到對(duì)稱三相電壓uabc和三相電流iabc;三相電壓uabc和三相電流iabc經(jīng)過(guò)Park變換得到靜止坐標(biāo)下的兩相電壓uαβ和電流iαβ;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Uref。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Uref和實(shí)時(shí)檢測(cè)的直流側(cè)電壓Udc做比較,將比較值記作e,其變化率記作ec。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ec兩者的基本論域定義為(-12,+12),兩者的量化因子ke和kec都為0.5。模糊控制器的輸出為Δkp和Δki,兩者的基本論域定義為(-6,+6),兩者的比例因子ku為0.05;再確立隸屬度函數(shù),即輸入e,ec和輸出Δkp,Δki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)Δkp和Δki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Δkp和Δki進(jìn)行清晰化。
3)把2)中解模糊化后的Δkp和Δki,作為PI控制器的輸入,PI控制器輸出為kp和ki。設(shè)定:kp=kp*+Δkp,ki=ki*+Δki;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)kp,ki,最終得到理想的補(bǔ)償有功電流值Δip。
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,Udc為直流側(cè)電壓,Lc為濾波電感,us為單相電源電壓,L和R分別為負(fù)載電感和電阻,is、il和ic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。us,is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uabc和電流iabc。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Uref。
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U0m分別為單相電路額定角速度和額定電壓幅值,ω0=314rad/s,U0m=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;kp和kq為p-f和q-v對(duì)應(yīng)的下垂系數(shù),kp=1e-5,kq=3e-4;Um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Uout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,Uk、Ul分別表示諧波分量,φ1表示基波相位角,φk、φl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UoutM,需要滿足:Uout≥UoutM。
其中UoutM為:
Um表示下垂調(diào)節(jié)后電源電壓,Lc表示濾波電感,I1表示基波電流,Ik、Il分別表示諧波電流,
由調(diào)制比D表達(dá)式和UoutM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:ΔUout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Uref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ec,輸出為Δkp和Δki。在模糊自適應(yīng)PI控制下,PI控制器輸出為kp和ki。設(shè)定:kp=kp*+Δkp,ki=ki*+Δki;其中,kp*和ki*分別為PI控制器kp和ki參數(shù)初始值;其中,Δkp和Δki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ec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ec的量化因子ke和kec都為0.5;將輸入PI的兩個(gè)系數(shù)Δkp,Δki的基本論域定義為(-6,+6);將其模糊子集的論域都定義為:Δkp,Δki={-0.3,-0.2,-0.1,0,0.1,0.2,0.3};其模糊子集都為:Δkp,Δki={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB};輸出控制量的比例因子ku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,ec和輸出Δkp,Δki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)kp,ki設(shè)定規(guī)則:當(dāng)|e|和|ec|較大,且e和ec同號(hào)時(shí),為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,kp,ki值應(yīng)選取得大一些;反之,kp取值要適中,而ki取值應(yīng)較小。
根據(jù)上述理論分析,系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)時(shí)ΔUdc值應(yīng)選擇適中。首先將kp和ki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)kp為0.95,ki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。