基于模糊PI-重復(fù)控制的直流有源濾波器研究

引言

直流有源濾波器具有體積小,能夠較好地消除各次紋波等優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛地應(yīng)用在航空等領(lǐng)域。如何對(duì)其濾波效果進(jìn)行更好的控制,成為了當(dāng)前的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

傳統(tǒng)的補(bǔ)償紋波電流的控制方法主要包括PI控制、多比例諧振、重復(fù)控制。文獻(xiàn)提出采用PI控制來(lái)補(bǔ)償紋波電流,并進(jìn)行了理論研究和仿真驗(yàn)證,但是PI控制方法的帶寬是有限的,在中高頻段衰減嚴(yán)重,相位滯后也很明顯,無(wú)法在全頻段跟蹤控制紋波信號(hào):文獻(xiàn)針對(duì)四橋臂的有源濾波器提出了改進(jìn)型的PR控制補(bǔ)償電流的方法,并通過(guò)搭建20kv的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果顯示此控制方法能很好地進(jìn)行紋波電流的補(bǔ)償,但該控制方式只能對(duì)特定次數(shù)的紋波進(jìn)行補(bǔ)償,不能對(duì)各次紋波都進(jìn)行補(bǔ)償:文獻(xiàn)提出用重復(fù)控制補(bǔ)償紋波電流,該方法的交流網(wǎng)側(cè)的諧變率從8.4%下降到3.4%,此方法能夠有效抑制穩(wěn)態(tài)誤差,但是重復(fù)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度比較慢,不能及時(shí)地補(bǔ)償紋波電流。

本文提出了基于模糊PI-重復(fù)控制的直流有源濾波器,不但彌補(bǔ)了模糊PI控制對(duì)紋波電流控制準(zhǔn)確度不足的缺陷,還改善了重復(fù)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢的問(wèn)題。

1直流有源濾波器原理分析

并聯(lián)型直流有源濾波器的結(jié)構(gòu)拓?fù)淙鐖D1所示。

如圖1所示,并聯(lián)型直流有源濾波器通過(guò)平波電抗器輸出的電流是iL+iC,紋波電流iC為參考電流分量,使直流有源濾波器產(chǎn)生電流與iC大小相等、方向相反,以此補(bǔ)償紋波。

2模糊Pl-重復(fù)控制

重復(fù)控制器是一種周期性控制的無(wú)差調(diào)節(jié),能夠很好地消除系統(tǒng)的誤差,達(dá)到抑制紋波的效果,但是該控制系統(tǒng)的延

時(shí)環(huán)節(jié)導(dǎo)致了其動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度變慢:而模糊PI控制動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快,將重復(fù)控制和模糊PI控制結(jié)合使用,不但能有效地減少系統(tǒng)誤差,而且能夠提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。模糊PI-重復(fù)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2l模糊Pl控制器設(shè)計(jì)

設(shè)模糊PI的輸入、輸出論域?yàn)?-6,6）,變量語(yǔ)言取值為負(fù)大(NB）、負(fù)中(NM）、負(fù)小(Ns）、零(Zo）、正小(Ps）、正中(PM）、正大(PB）。模糊控制的隸屬函數(shù)采用的是三角函數(shù)。

比例系數(shù)KP能夠反映誤差e,當(dāng)出現(xiàn)誤差后即刻反應(yīng),來(lái)減少誤差。如果KP過(guò)大,會(huì)造成系統(tǒng)振蕩,因此,若誤差e較大,應(yīng)快速抑制誤差,KP的值也要相應(yīng)增大:反之,誤差e較小時(shí),為防止超調(diào)太大使系統(tǒng)振蕩,KP的值要變小。綜合考慮誤差和誤差變化率時(shí),當(dāng)e和ec同號(hào),此時(shí)要增大KP:反之,要減小KP。

積分系數(shù)KI的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。當(dāng)KI過(guò)大時(shí),會(huì)引起系統(tǒng)超調(diào)增大。為防止積分飽和,如果誤差e較大,則令KI等于零:若e較小,讓KI作用,使其隨著e的減小而增大,來(lái)減少系統(tǒng)誤差。

AKP、AKI的控制規(guī)則表如表1所示。

模糊推理之后,將輸出值進(jìn)行去模糊化,使其變換成準(zhǔn)確值,最后輸出AKP、AKI。

參數(shù)KP、K1的計(jì)算公式如下:

2.2重復(fù)控制器設(shè)計(jì)

重復(fù)控制是一種基于內(nèi)模原理的控制方式,根據(jù)內(nèi)模原理,如果控制器要達(dá)到很好的補(bǔ)償效果,必須在閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部加入一個(gè)能和紋波相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,這個(gè)參考的紋波就是所謂的"內(nèi)模"。常用的重復(fù)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖中,0(:）為濾波器。綜合考慮穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)誤差兩方面的因素 ,0(:）取值為0.95。

:-N為周期延時(shí)環(huán)節(jié)。因?yàn)椴蓸宇l率為10kHz,基波頻率為50 Hz ,所以周期點(diǎn)數(shù)為:N=10 000/50=200。

補(bǔ)償器C(:）是針對(duì)直流有源濾波器設(shè)計(jì)的,作用是補(bǔ)償相位及幅值,保證重復(fù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。C(:）的形式一般為:

式中,Kr為可調(diào)增益,設(shè)定為小于1的正常數(shù),取值為0.5。

補(bǔ)償器s(:-1）可以增強(qiáng)前向通道的高頻衰減特性,提高穩(wěn)定性和抗高頻干擾能力。本文中,s(:-1）為二階低通濾波器結(jié)構(gòu),s(:-1）=a:-1+b:-2其中a、b、c、d為常數(shù)。

超前環(huán)節(jié):k用于補(bǔ)償系統(tǒng)和補(bǔ)償器引入的相位滯后,使得:kP(:-1）s(:-1）在中低頻是零相移的特性,其中k取值為2。

3仿真分析

仿真中主電路輸出的電壓為220V,頻率為50Hz,采樣周期7=0.01 ms,電阻為20 Q ,濾波電抗器 1.22mH ,濾波電容

圖4為直流有源濾波器補(bǔ)償前后輸出電流波形圖,圖5為未接直流有源濾波器輸出電流的FFT分析圖,圖6為接入直流有源濾波器輸出的FFT分析圖。

圖4中曲線1為未補(bǔ)償前輸出電流的波形,曲線2為補(bǔ)償后輸出電流的波形。圖5為補(bǔ)償前輸出電流的FFT分析圖,諧波畸變率達(dá)到32.02%。圖6為直流有源濾波器補(bǔ)償后輸出電流的FFT分析圖,THD值為1.78%。通過(guò)對(duì)比分析可知,基于模糊P1-重復(fù)控制的直流有源濾波器具有較好的濾波效果。

4結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)基于模糊P1-重復(fù)控制的直流有源濾波器進(jìn)行了詳細(xì)分析,并搭建了仿真系統(tǒng),結(jié)果表明,模糊P1-重復(fù)控制是一種較為理想的直流有源濾波器抑制紋波的方法。