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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點,因此被廣泛地應用在航空等領域。如何對其濾波效果進行更好的控制,成為了當前的一個關鍵問題。

傳統的補償紋波電流的控制方法主要包括PI控制、多比例諧振、重復控制。文獻提出采用PI控制來補償紋波電流,并進行了理論研究和仿真驗證,但是PI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:文獻提出用重復控制補償紋波電流,該方法的交流網側的諧變率從8.4%下降到3.4%,此方法能夠有效抑制穩態誤差,但是重復控制的動態響應速度比較慢,不能及時地補償紋波電流。

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

1直流有源濾波器原理分析

并聯型直流有源濾波器的結構拓撲如圖1所示。

如圖1所示,并聯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-重復控制

重復控制器是一種周期性控制的無差調節,能夠很好地消除系統的誤差,達到抑制紋波的效果,但是該控制系統的延

時環節導致了其動態響應速度變慢:而模糊PI控制動態響應速度快,將重復控制和模糊PI控制結合使用,不但能有效地減少系統誤差,而且能夠提高系統響應速度。模糊PI-重復控制的結構框圖如圖2所示。

2l模糊Pl控制器設計

設模糊PI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(Zo）、正小(Ps）、正中(PM）、正大(PB）。模糊控制的隸屬函數采用的是三角函數。

比例系數KP能夠反映誤差e,當出現誤差后即刻反應,來減少誤差。如果KP過大,會造成系統振蕩,因此,若誤差e較大,應快速抑制誤差,KP的值也要相應增大:反之,誤差e較小時,為防止超調太大使系統振蕩,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KI的作用是消除系統的穩態誤差。當KI過大時,會引起系統超調增大。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,來減少系統誤差。

AKP、AKI的控制規則表如表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、AKI。

參數KP、K1的計算公式如下:

2.2重復控制器設計

重復控制是一種基于內模原理的控制方式,根據內模原理,如果控制器要達到很好的補償效果,必須在閉環系統內部加入一個能和紋波相對應的數學模型,這個參考的紋波就是所謂的"內模"。常用的重復控制系統結構圖如圖3所示。

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

:-N為周期延時環節。因為采樣頻率為10kHz,基波頻率為50 Hz ,所以周期點數為:N=10 000/50=200。

補償器C(:）是針對直流有源濾波器設計的,作用是補償相位及幅值,保證重復控制系統的穩定性 。C(:）的形式一般為:

式中,Kr為可調增益,設定為小于1的正常數,取值為0.5。

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

超前環節:k用于補償系統和補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為未補償前輸出電流的波形,曲線2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32.02%。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1.78%。通過對比分析可知,基于模糊P1-重復控制的直流有源濾波器具有較好的濾波效果。

4結語

本文對基于模糊P1-重復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,結果表明,模糊P1-重復控制是一種較為理想的直流有源濾波器抑制紋波的方法。