基于模糊PI-重复控制的直流有源滤波器研究

引言

直流有源滤波器具有体积小,能够较好地消除各次纹波等优点,因此被广泛地应用在航空等领域。如何对其滤波效果进行更好的控制,成为了当前的一个关键问题。

传统的补偿纹波电流的控制方法主要包括PI控制、多比例谐振、重复控制。文献提出采用PI控制来补偿纹波电流,并进行了理论研究和仿真验证,但是PI控制方法的带宽是有限的,在中高频段衰减严重,相位滞后也很明显,无法在全频段跟踪控制纹波信号:文献针对四桥臂的有源滤波器提出了改进型的PR控制补偿电流的方法,并通过搭建20kv的实验平台进行验证,结果显示此控制方法能很好地进行纹波电流的补偿,但该控制方式只能对特定次数的纹波进行补偿,不能对各次纹波都进行补偿:文献提出用重复控制补偿纹波电流,该方法的交流网侧的谐变率从8.4%下降到3.4%,此方法能够有效抑制稳态误差,但是重复控制的动态响应速度比较慢,不能及时地补偿纹波电流。

本文提出了基于模糊PI-重复控制的直流有源滤波器,不但弥补了模糊PI控制对纹波电流控制准确度不足的缺陷,还改善了重复控制的动态响应速度慢的问题。

1直流有源滤波器原理分析

并联型直流有源滤波器的结构拓扑如图1所示。

如图1所示,并联型直流有源滤波器通过平波电抗器输出的电流是iL+iC,纹波电流iC为参考电流分量,使直流有源滤波器产生电流与iC大小相等、方向相反,以此补偿纹波。

2模糊Pl-重复控制

重复控制器是一种周期性控制的无差调节,能够很好地消除系统的误差,达到抑制纹波的效果,但是该控制系统的延

时环节导致了其动态响应速度变慢:而模糊PI控制动态响应速度快,将重复控制和模糊PI控制结合使用,不但能有效地减少系统误差,而且能够提高系统响应速度。模糊PI-重复控制的结构框图如图2所示。

2l模糊Pl控制器设计

设模糊PI的输入、输出论域为(-6,6）,变量语言取值为负大(NB）、负中(NM）、负小(Ns）、零(Zo）、正小(Ps）、正中(PM）、正大(PB）。模糊控制的隶属函数采用的是三角函数。

比例系数KP能够反映误差e,当出现误差后即刻反应,来减少误差。如果KP过大,会造成系统振荡,因此,若误差e较大,应快速抑制误差,KP的值也要相应增大:反之,误差e较小时,为防止超调太大使系统振荡,KP的值要变小。综合考虑误差和误差变化率时,当e和ec同号,此时要增大KP:反之,要减小KP。

积分系数KI的作用是消除系统的稳态误差。当KI过大时,会引起系统超调增大。为防止积分饱和,如果误差e较大,则令KI等于零:若e较小,让KI作用,使其随着e的减小而增大,来减少系统误差。

AKP、AKI的控制规则表如表1所示。

模糊推理之后,将输出值进行去模糊化,使其变换成准确值,最后输出AKP、AKI。

参数KP、K1的计算公式如下:

2.2重复控制器设计

重复控制是一种基于内模原理的控制方式,根据内模原理,如果控制器要达到很好的补偿效果,必须在闭环系统内部加入一个能和纹波相对应的数学模型,这个参考的纹波就是所谓的"内模"。常用的重复控制系统结构图如图3所示。

图中,0(:）为滤波器。综合考虑稳定性和稳态误差两方面的因素 ,0(:）取值为0.95。

:-N为周期延时环节。因为采样频率为10kHz,基波频率为50 Hz ,所以周期点数为:N=10 000/50=200。

补偿器C(:）是针对直流有源滤波器设计的,作用是补偿相位及幅值,保证重复控制系统的稳定性 。C(:）的形式一般为:

式中,Kr为可调增益,设定为小于1的正常数,取值为0.5。

补偿器s(:-1）可以增强前向通道的高频衰减特性,提高稳定性和抗高频干扰能力。本文中,s(:-1）为二阶低通滤波器结构,s(:-1）=a:-1+b:-2其中a、b、c、d为常数。

超前环节:k用于补偿系统和补偿器引入的相位滞后,使得:kP(:-1）s(:-1）在中低频是零相移的特性,其中k取值为2。

3仿真分析

仿真中主电路输出的电压为220V,频率为50Hz,采样周期7=0.01 ms,电阻为20 Q ,滤波电抗器 1.22mH ,滤波电容

图4为直流有源滤波器补偿前后输出电流波形图,图5为未接直流有源滤波器输出电流的FFT分析图,图6为接入直流有源滤波器输出的FFT分析图。

图4中曲线1为未补偿前输出电流的波形,曲线2为补偿后输出电流的波形。图5为补偿前输出电流的FFT分析图,谐波畸变率达到32.02%。图6为直流有源滤波器补偿后输出电流的FFT分析图,THD值为1.78%。通过对比分析可知,基于模糊P1-重复控制的直流有源滤波器具有较好的滤波效果。

4结语

本文对基于模糊P1-重复控制的直流有源滤波器进行了详细分析,并搭建了仿真系统,结果表明,模糊P1-重复控制是一种较为理想的直流有源滤波器抑制纹波的方法。