APF控制方法及PI参数的Fuzzy优化仿真

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【摘要】随着科学技术的不断发展，国民经济的快速增长，电力电子设备的需求越来越受到广泛的需求。在工业生产中由于大量非线性负载的使用，使得供电系统存在大量谐波不断危害着电网以及设备的安全，由此背景应运而生的有源电力滤波器受到广泛关注并在当今得到较好的发展，因有源电力滤波器对电力系统中谐波有较好的抑制和补偿作用，所以对apf主电路的设计以及控制方法的研究就具有非常重要的理论和工程实践意义。文中还通过MATLAB仿真介绍了系统模型搭建以及模糊优化pi的模型，并通过仿真得到系统性能曲线参数验证了模糊理论对PI优化的正确性和可行性。

【关键词】APF；PI；fuzzy控制器

1.有源电力滤波器输出电流控制

驱动电路、IGBT主电路和电流跟踪电路则组成了补偿电流发生电路[1]。而这当中检测电路产生的指令电流与补偿电路发出的补偿信号是决定电流跟踪控制电路的最关键因素之一，由此获得使主电路开关器件开通或关断的PWM信号，已达到使补偿电流信号对指令信号跟踪的目的。

1.1 三角波控制方式

三角波控制法被称为三角波脉宽调制法[2]，图1为三角波脉宽调制法的电路原理，图1中为补偿电流大小，为实际中输出的补偿电流，是三角波的幅度值，而则是两者的误差信号，比较器通过驱动电路产生PWM驱动波形。

三角波脉宽调制法是将检测到的补偿电流信号与实际中的补偿电流信号的偏差通过放大器得到一个增益在与高频三角波比较，且其控制方式是控制使之限定在误差很小来进行处理，这样的方式有动态响应较好且开关频率固定的优点，若在输出的PWM波中有与给定三角波一样频率的较高频率的畸变分量，可保证其成分含量较少。但也存在电路比较方式较复杂或需要外加载波的缺点。本文采用此方法作为控制策略。

1.2 滞环控制方式

滞环控制器的偏差是由滞环控制器补偿电流信号与系统主电路输出的补偿电流信号对比而得来的，将此偏差作为输入，用以产生PWM信号来对主电路中的开关器件IGBT进行控制其通断，从而达到对主电路的补偿并跟随补偿电流的变化。图2是滞环比较法结构图及电流跟踪原理图。

对于使用滞环比较法控制时，补偿电流的跟踪性能主要受滞环宽度H的影响，若宽度H较大时其跟踪性能较差使误差变大，补偿的信号中有含有较多高次谐波，但这时的开关器件的开通和断开频率比较低也就对期间要求较低，此时对大功率的实现比较容易。但如果宽度H较小时则有跟随性能较好使其误差也较小单开关频率比较高[3]。

滞环比较控制具有电路结构简单，若宽度固定的情况下，电流跟随的误差范围也是固定。实时闭环控制使其相应较快的优点，但也存在开通和关断的频率范围过大，含谐波量也较大，由补偿电流产生的跟随误差会较大，或使器件开关频率过高而使其损坏。

在实际生产中大多将宽度H设计成以补偿电流为基准自动调节其大小或者是控制时间的方法来控制开关频率的最大值。

2.PI参数的Fuzzy优化

2.1 Fuzzy控制原理

对于模糊控制主要有以下特点：

（1）对于复杂系统不要求被控系统有精确的数学模型，从而达到对复杂系统的控制。

（2）作为新型的控制方式有其响应速度快、鲁棒性好的特点。

（3）模糊控制规则采用的是人类语言进行编写，使得模糊控制策略容易被理解，也便于对其进行推广。

对于模糊控制系统主要由一下及部分组成：

（1）模糊控制器：实际上是一台微计算机，根据控制系统的需要，即可选取系统机。

（2）输入/输出接口装置：模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，在送人执行机构去控制被控对象。

（3）广义对象：包括被控对象及执行机构，被控对象可是线性或非线性的，定常或时变的等多种情况。

（4）传感器：则是将各种被控对象的被控量转换为电信号的一类装置。

综上所述模糊控制算法可归纳为以下四点：

（1）根据本次采样得到的系统的输出值，计算系统所选择的输入变量。

（2）将输入变量的精确值变为模糊值。

（3）依据模糊量及模糊控制规则，按模糊推理合成规则计算控制量，

（4）有上述的控制量计算精确的控制量。

2.2 Fuzzy控制的MATLAB搭建及规则

（1）图5为模糊优化PI的MATLAB模型。

（2）图6是模糊的Fis文件及模糊规则。

2.3 PI参数的Fuzzy优化

（1）当系统控制信号误差很大时，为了使系统能快速的跟踪，要使得为很大的值；同时为避免系统出现过大的超调，产生积分饱和现象，需要限制积分环节的作用，可以取。

（2）当系统控制信号误差以及误差变化率不是很大时，可分从一下两点考虑：

①若两者符号相同，可知系统是向非稳态方向变化，若想要使系统的超调很小，则的值应该大一些，的值要适中。

②若两者异号，被控系统则是相稳定状态趋近，此时和应该减小。

（3）当系统控制信号误差的值较小时，说明被控系统的运行状态正在趋于稳定，为了获得更好的稳态指标，和应该适当增大。

（4）积分环节主要是用来消除稳态误差，会对系统造成一定的滞后性，其值过大会引起超调和振荡，所以一般在误差的值较小时使用积分环节，消除系统稳态误差[7]。

2.4 系统仿真

3.结束语

本文主要介绍了APF的一些常用的控制方法，并最终选用了三角波控制法作为本设计的控制方法，同时对三角波控制法进行改进，采用Fuzzy控制器对PI进行优化使PI参数能更快更优良的控制补偿电流来对APF进行补偿，本文中列出的仿真波形可以清楚的看出通过采用Fuzzy对PI优化前后在电流畸变率以及对补偿前后的电流有较好的改善作用。

参考文献

[1]徐明，彭剑，周林.三角波脉宽调制电流控制有源电力滤波器电路参数与跟随性能的关系[J].电力自动化设备，2008：60-63.

[2]张代润，刘红萍.单相有源电力滤波器的滞环控制策略分析[J].电机与控制学报，1998，2（3）：153-157.

[3]高军，黎辉，杨旭，王兆安.基于PID控制和重复控制的正弦波逆变电源研究电工电能新技术[J].2002，21（1）：14.

[4]Eleanor D.，Mark O.M.，Wind G.Power System Operation and Emissions Reduction[J].IEEE Transactions on Power Systems，2005，7（4）：78-86.

[5]Harashima F.Power Electronics and Motion Control Future Perspective[C].Proceedings of the IEEE， 1994，82（8）：1107-1111.

[6]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998，9：1-3.

[7]Bird B.M.，March J.F.，Mclellan P.R.Harmonic reduction in multiple converters by triple-frequency current injection[J].Proc IEEE，1969，116（10）：1730-1734.

作者简介：芦浩（1985―），男，辽宁鞍山人，辽宁科技大学电子与信息工程学院2010级硕士研究生，研究方向：电力电子。