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,因此被廣泛地應(yīng)用在航空等領(lǐng)域。如何對其濾波效果進行更好的控制,成為了當前的一個關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)的補償紋波電流的控制方法主要包括P1控制、多比例諧振、重復(fù)控制。文獻提出采用P1控制來補償紋波電流,并進行了理論研究和仿真驗證,但是P1控制方法的帶寬是有限的,在中高頻段衰減嚴重,相位滯后也很明顯,無法在全頻段跟蹤控制紋波信號:文獻針對四橋臂的有源濾波器提出了改進型的PR控制補償電流的方法,并通過搭建20kV的實驗平臺進行驗證,結(jié)果顯示此控制方法能很好地進行紋波電流的補償,但該控制方式只能對特定次數(shù)的紋波進行補償,不能對各次紋波都進行補償:文獻提出用重復(fù)控制補償紋波電流,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)控制的動態(tài)響應(yīng)速度比較慢,不能及時地補償紋波電流。

本文提出了基于模糊P1-重復(fù)控制的直流有源濾波器,不但彌補了模糊P1-控制對紋波電流控制準確度不足的缺陷,還改善了重復(fù)控制的動態(tài)響應(yīng)速度慢的問題。

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)拓撲如圖1所示。

如圖1所示,并聯(lián)型直流有源濾波器通過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差調(diào)節(jié),能夠很好地消除系統(tǒng)的誤差,達到抑制紋波的效果,但是該控制系統(tǒng)的延時環(huán)節(jié)導(dǎo)致了其動態(tài)響應(yīng)速度變慢:而模糊P1控制動態(tài)響應(yīng)速度快,將重復(fù)控制和模糊P1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P1-重復(fù)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1模糊Pl控制器設(shè)計

設(shè)模糊P1的輸入、輸出論域為(-6,6),變量語言取值為負大(NB)、負中(NM)、負小(Ns)、零(Z0)、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,當出現(xiàn)誤差后即刻反應(yīng),來減少誤差。如果KP過大,會造成系統(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,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,當e和ec同號,此時要增大KP:反之,要減小KP。

積分系數(shù)K1的作用是消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。當K1過大時,會引起系統(tǒng)超調(diào)增大。為防止積分飽和,如果誤差e較大,則令K1等于零:若e較小,讓K1作用,使其隨著e的減小而增大,來減少系統(tǒng)誤差。

AKP、AK1的控制規(guī)則表如表1所示。

模糊推理之后,將輸出值進行去模糊化,使其變換成準確值,最后輸出AKP、AK1。

參數(shù)Kp、KP的計算公式如下:

2.2重復(fù)控制器設(shè)計

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,如果控制器要達到很好的補償效果,必須在閉環(huán)系統(tǒng)內(nèi)部加入一個能和紋波相對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,這個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。

z-N為周期延時環(huán)節(jié)。因為采樣頻率為+0kHz,基波頻率為50Hz,所以周期點數(shù)為:N1+0000/501100。

補償器C(:)是針對直流有源濾波器設(shè)計的,作用是補償相位及幅值,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+的正常數(shù),取值為0.5。

補償器s(:-+)可以增強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(:-+)為二階低通濾波器結(jié)構(gòu),

其中a、b、c、d為常數(shù)。

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

3仿真分析

仿真中主電路輸出的電壓為110V,頻率為50Hz,采樣周期710.0+ms,電阻為100,濾波電抗器+.11mH,濾波電容50uF,系統(tǒng)模型為

PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)按照臨界振蕩周期法取Kp1+.1,KP1+0:二階濾波器為s(:)10.+1+9=0.08+7:-+

。

圖4為直流有源濾波器補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+為未補償前輸出電流的波形,曲線1為補償后輸出電流的波形。圖5為補償前輸出電流的FFT分析圖,諧波畸變率達到21.01%。圖6為直流有源濾波器補償后輸出電流的FFT分析圖,THD值為+.78%。通過對比分析可知,基于模糊PI-重復(fù)控制的直流有源濾波器具有較好的濾波效果。

3結(jié)語

本文對基于模糊PI-重復(fù)控制的直流有源濾波器進行了詳細分析,并搭建了仿真系統(tǒng),結(jié)果表明,模糊PI-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。