摘要：维持并联型有源电力滤波器直流母线电压稳定非常重要，常规控制方法难以实现直流母线电压的有效控制。分析了直流母线控制原理、限幅器的非线性特性，提出了一种将PI控制和模糊变限幅控制相结合的直流母线电压控制方法并进行仿真研究．根据仿真参数搭建样机验证算法，Matlab仿真和试验结果表明该方法的有效性。
关键词：并联有源滤波器；直流母线控制；模糊变限幅；
Matlab仿真并联型有源滤波器(shunt actlve power filter)补偿有功分量的能量由直流母线电容提供，而它本身并不能产生能量来维持电容电压．所以必须采取一定的措施与电网交换能量来稳定直流母线电压，目前控制直流母线电压的主要方法是采取一定的控制策略在指令电流中叠加一个基波分量来完成。针对直流母线电压控制这一问题，有不少文献采用各种方法来实现直流母线电压控制：有简单的PI调节，即将直流母线实际电压与给定电压的偏差经PI控制器运算得到补偿直流电压的有功分量实现直流母线电压控制：
有结合模糊控制算法实现控制，有用滑模变结构实现控制，但这里都有一个问题，那就是没有弄清指令电流和叠加的有功分景比例关系，把母线电压单独控制，忽略电流内环的影响。虽然文献[1]提出要设计限幅器，但也没有能够设计出合理的限幅器，建立传递函数模型分析时还特意忽略其影响，而其他文献基本未提及此问题，实际上著无合理幅值的限幅器，不仅直流母线电压不能快速提升或者快速上升而超调过大，从而影响补偿能力；也有可能叠加的基波分量过大超过指令电流的幅值导致开关次序混乱使系统崩溃，直流母线电压骤升造成破坏。针对直流母线电压控制快速性与稳定性要求之间的矛盾，本文在研究了各种不同控制方法和不同幅值的限幅器控制电压的仿真结果后，提出一种基于PI控制和模糊变限幅相结合的直流母线电压控制策略，仿真和样机试验结果验证了该算法的有效性。
1 并联型APF直流母线电压控制原理
并联型APF直流母线电压控制原理整体框
图1中，Udc是直流母线电压的给定值，udc是直流母线电压的实际值，两者之差经H控制器、限幅后得到的调节信号△in被叠加到实际电流in经霍耳电流传感器测量值i上，这就使得有源滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功分量，然后再和指令电流i。叠加来控制开关元件的通断，从而能够交换能量，使直流母线电压在给定值附近允许范围内波动。当udc比udc小时，经PI控制器的作用，使得Δi为正，在这个指令电流的作用下，补偿器在对谐波电流进行补偿的同时，从电网吸取相应的有功功率，使得母线电压上升直至给定值。反之，当udc比Udc大时，经PI控制器的作用，使得△i为负，在这个指令电流的作用下，补偿器的主电路在对谐波电流进行补偿的同时，将向电网释放相应的有功功率，使得变流器的直流侧电容电压下降直至给定值。限幅器幅值是由模糊器根据电压偏差△Udc和电压偏差变化率△udc制定模糊规则来改变的。为了保证直流母线电压范围在APF容量之内不至于过大而引起系统振荡，需合理设置参数来控制直流母线电压。
2 限幅器的非线性分析
对图l所示的直流母线电压控制系统，限幅器的非线性对系统的性能影响是关键，因此需要重点研究限幅器这个非线性环节对系统的稳定性、控制效果的影响，建立图1所示的系统的传递函数模型，经简化合并后得到图2所示的模型。
图2中，M是限幅器的幅值，a是非线性转折点，是霍耳电压传感器等效时间，T2是霍耳电流传感器等效时间，Ti是电流控制器内环等效时间，R+sL为电感及电阻等效传递函数，1／sc为母线电容传递函数，为直流母线电压增益。其中因为电流内环PwM开关频率比较高，电流内环用一个小惯性环节替换并不影响直流母线电压控制效果。将APF实验样机参数代人得到传递两数模型如图3所示。
函数，做出线性部分的NyquⅢ曲线和 1／N(A)曲线如图4所示。
图4表明PI控制器的参数K。，K，增大时不利于系统的稳定，要合理选取PI参数来避免系统的不稳定和改善系统的动态性能。当 l／N(A)曲线沿A增大方向，由不稳定区域进入稳定区域时．系统有稳定的周期运动，为使系统稳定运行，应避免使两条曲线有交点而出现自振荡。
做出系统线性部分增加PI调节器的B0de图如图5所示，其中系统参数参考图3所示。图5表明PI调节器能够显著改善系统性能。
3 PI控制器设计
根据图4、图5分析方法和结论，可以设计出合理的PI控制器。不考虑限幅器的饱和非线性作用时，控制器输出量△I。与直流母线电压偏差△Udc的关系为根据APF系统性能要求，合理选择PI参数。
按照100kV·A的APF直流母线电压需求，令udc=800 v，设电流环所需跟踪指令电流为z。一1 60sm(1 00πt)+20sin(500πt)十7sm(700πt)，设计不同幅值的限幅器，利用Matlab软件仿真出的直流母线控制效果如图6所示。
4模糊变限幅控制器设计
由图6可见，不同幅值的限幅器直流母线电压控制效果不同，限幅器幅值越大，上升时间越快，但超调与稳态误差越大；限幅器幅值越小，上升时问越长，但超调与稳态误差越小，限幅器的幅值取M一30效果稳态误差与超调量最理想，取M一45时上升时间最短，因此为了获取更好的动态性能，有必要设计出根据性能指标要求来改变限幅器幅值的控制器，将多种不同的限幅器的优点结合起来，获取****的动态性能。考虑到PI控制器在工程上实现简单可靠，而限幅器变幅值能够获取更好的控制效果和动态特性，特设计出根据电压偏差△Udc和电压偏差变化率△udc制定模糊规则的变限幅的模糊控制器，在不同条件下切换。选择电压偏差△udc和电压偏差变化率△udc作为输入变化量，按照直流母线电压快速上升，快速稳定在一定范围之内的要求，选择合适的限幅器幅值。
对应的模糊规则设置为If△udc is U1and△Udc isU2，thenMism其中，U1为电压偏差△Udc对应的语言变量；Uz为电压偏差变化率△udc对应的语言变量；m为限幅器幅值M对应的语言变量。因电压偏差、限幅器幅值、电压偏差变化率都是对称的，取****值即可。为了证明变限幅的限幅控制器的优点，同时使数字控制器上编程实现简单，将语言变量个数取少一点，设语言变量U1取：B，N，s，z；语言变量U2取：B，s，z；语言变量m取B一40，NB一30，N一2 5，S一20。其中，B为大，N为中，NB为中大，Z为零，s为小。
5仿真及试验
根据以上研究结论，利用Matlab建立仿真模型进行分析。按照技术手册提供的参数取T，一200“s，T2=lμs，R=O．1 Ω，L=3 mH，C=5 OOOuF，A=2，Q=l，因系统采样频率为1 2.8 kHz，取Ti=90μs，截止频率取ωc=5 Hz，图7中变限幅控制器的幅值取M=45，1，35，28，同定的限幅器幅值取M一35。
从图7可以看出不同的控制器动态性能差别较大：无限幅控制超调σ=18．20％，上升时间tr=O．135 s，稳态误差e=2.5％；固定限幅控制超调σ=17．1 3％，上升时间tr=0．132 s，稳态误差e=1％；变限幅控制超调σ=6．25％，上升时间t=0．13 s，稳态误差e=0 5％，总体上讲，模糊变限幅控制器控制效果要优于固定限幅器和无限幅控制器的控制效果。
根据仿真结果及相应的参数，搭建APF样机模型，验证算法。因为直流母线电压上升快，无法获取上升时间信息，所以利用DSp仿真软件ccs3 3采集数据后，再用Matlab画出的直流母线电压传感器传回的一个周波20 ms、增益为10的电压曲线。
由图8中电压传感器传回的电压曲线可见直流母线电压在稳定时波动不大(11．93～12．10v)，较好地稳定在一个允许的范围内(稳态瀑差e
6 结论
从仿真及试验效果来看，模糊变限幅控制能够比固定限幅控制、无限幅控制获取更好的动态性能；另外变限幅控制器数字实现也很容易，适合工程应用。 |
