基于模糊自适应控制算法的APF

秦有杰，李 彦

(江苏科技大学 电子信息学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

目前，有源滤波器(active power filter，APF)控制中普遍采用滞环电流比较器(hysteresis current controller，HCC)产生逆变器的开关信号［1］。但这种控制策略会产生不平衡的开关频率信号。模糊自适应滞环电流比较器(fuzzy adaptive hysteresis current controller，FAHCC)可通过模糊控制逻辑来调节滞环环宽，达到优化PWM 开关信号的目的，克服HCC 存在的缺陷。FAHCC 根据电力有源滤波器的瞬时输入电压和参考电流斜率计算出滞环的环宽，保持PWM 开关信号的频率固定不变，降低开关损耗，提高APF 的性能［2］。本文通过船舶电力推进系统作为非线性负载建立基于FAHCC 的有源滤波器仿真模型，仿真结果验证该控制策略的可行性。

1 APF 原理

并联型有源电力滤波器的结构如图1所示［3］。其主要由2 部分组成:一是采用单位电压矢量和模糊控制逻辑计算参考电流;二是采用模糊自适应滞环比较器产生PWM 开关信号。

2 参考电流计算

参考电流通过采集电网电压，利用单位电压矢量和模糊控制逻辑计算获得，该算法减少了传感器的个数，可降低控制系统的复杂程度和成本。

图1 并联有源滤波器原理框图Fig.1 General structure of shunt active power filter

2.1 单位电压矢量

将采集到的电网电压转换为单位电压矢量，如式(1)所示，这些单位电压矢量乘以通过FLC 估计到的电网电流幅值的峰值就可以得到参考电流。

2.2 模糊逻辑控制器

APF 直流侧的母线电压与设定的参考给定值进行比较可得到偏差信号，如式(2):

在模糊控制器中，偏差Eerr及其变化量ΔEerr被定义为负大NL(negative large)，负中NM(negative medium)，负小NS(negative small);零ZE(zero);正小 PS(positive small)，正 中 PM(positive medium)和正大PL(positive Large)［4］，如表1所示。采用三角函数关系将数字关系转换为语言关系，具体函数转换关系如图2所示。

表1 模糊控制规则Tab.1 Fuzzy control rule

将偏差信号Eerr与其变化率ΔEerr作为FLC 的输入，通过模糊逻辑算法得到参考电流幅值的峰值Imax。

图2 输入输出变量的函数关系Fig.2 Function for input and output variable

3 PWM 开关信号控制器

APF 的性能主要取决于PWM 开关信号控制器的特性，本节将讨论自适应滞环比较器和模糊自适应滞环比较器。

3.1 自适应滞环比较器

图3 为基于自适应滞环比较器的PWM 开关信号发生器的原理框图［5］。当电流偏差eerr(n)超过滞环环宽上限时，下桥臂开关闭合;相反，如果eerr(n)超过环宽下限时，上桥臂开关闭合，因此，实际电流将在滞环环宽内跟踪参考电流。由APF 交流侧的能量流动关系可得式(3)和式(4)［6］:

图3 自适应滞环比较器框图Fig.3 Diagram of adaptive HCC

图4 APF 开关函数关系Fig.4 Switching function of APF

从图4 可以得到反映开关间隔的滞环环宽的表达式如式(5)～式(7)所示。

式中:t1和t2为开关间隔;fc为调节频率。

由式(5)与式(6)可得式(8):

将式(3)、式(4)和式(7)代入式(8)后可得:

从式(6)中减去式(5)可得:

将式(3)、式(4)和式(7)代入式(10)中可得:

将式(9)代入式(11)可得:

将式(12)简化后可得:

式中:vsa为电网侧电压的瞬时值;VDC为APF 直流侧母线电压;L 为交流侧耦合电感。

3.2 模糊自适应滞环比较器

图5 为模糊自适应滞环比较器的结构框图。在没有精确获得APF 的相关参数(直流母线电压和耦合电感)时，可采用模糊逻辑得到滞环的环宽。将参考电流的变化率和输入电压vsa作为模糊逻辑控制器的输入，经过模糊算法处理后，其输出为模糊自适应滞环比较器的环宽HB。

通过在不同的点处对滞环环宽进行调制来控制PWM 开关信号模式。为保证APF 三相对称运行，三相环宽HBa，HBb和HBc大小相同，相位相差120°。基于模糊自适应算法的环宽HB 使开关调制频率fc保持恒定，减少了开关损耗，改善了APF 的补偿性能。

图5 模糊自适应滞环比较器结构框图Fig.5 Diagram of adaptive-fuzzy HCC

4 结果分析

在Matlab 中建立基于模糊自适应滞环电流比较的APF 模型，并以船舶电力推进系统为非线性负载进行仿真。系统参数如下:电网电压6.6 kV，频率50 Hz，推进电机功率2 MW，功率因数0.9。

4.1 未加APF 时的仿真结果

当APF 未接入电网时，其三相电流如图6(a)所示，对其中的A 相进行傅离叶分析，结果如图6(b)所示。

图6 未加APF 时的电网侧相电流Fig.6 Phase current of grid without APF

图7 A 相单位电压矢量的波形Fig.7 A-phase unit voltage vector

图9 APF 投入后电网侧相电流Fig.9 Phase current of grid with APF

可见，电流的THD 值已远远超过相关标准限定值。

4.2 加入APF 时的仿真结果

图7 为通过锁相环得到的A 相单位电压矢量的波形。图8 为APF 直流侧电容两端的电压，其纹波很小。图9(a)为加入APF 后电网三相电流，同样对其中的A 相电流进行傅离叶分析，结果如图9(b)所示。可见，电网电流的THD 值由15.17% 下降至3.71%，已符合船级社对于THD 的限定值。

5 结 语

采用基于模糊逻辑控制算法的三相并联有源滤波器对船舶电力推进系统的谐波电流和无功电流进行补偿。通过对模糊自适应滞环比较控制器进行仿真分析，结果表明该控制算法在减少电力电子开关损耗的同时也改进了APF 的补偿性能。

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