摘 要：该文研究了带有模糊逻辑控制器和积分比例器的有源 功率滤波器电路，分析了该电路的控制特征，通过模糊逻辑算法和数值模拟，结果表明：该 控制电路具有良好的控制功能和输出电流的追踪能力。
关键词：有源功率滤波器；模糊逻辑控制器；积分比例控制器；三位相电流 控制电压源；脉宽调制
A new method to active power filter control
WANG Jinguo,ZHANG Shiyong,WEI Junbo,TIAN Feng
(School of Science Chang'an University,Shaanxi Xi'an 710064 China )
Abstract：A threephase active power filter(A PF)operating with fixed switching Frequency and controlLED by a fuzzy logIC cont roller in the inner current control loop for each phase and a proportionalinte gral(PI) controller in the outer voltage control loop is studied.The performance and characteristics of active power filter circuit are analyzed.Using the fuzzy logic algorithm and Metlab simulation,the results are found that the tracking c apability of the APF output current and the controlled performance of the power circuit are unsurpassed.
Keywords：active power filter(APF);fuzzy logic controller;propo rtionalintegral controller;threephase current controlled voltage source;puls e width modulation(PWM).
0引言
文中提出在有源功率滤波器内电路中应用三相位电压源换向器，该换向器通 过模糊逻辑控制器控制；外电路中使用自控积分比例(PI)直流电源与电压控制电路连接。通 过在控制电路中使用模糊逻辑控制和自控积分比例(PI)直流电压控制，不需要很多精确的元 件来度量非线性负载的电流和参考电流，使APF的价格和体积得到了大幅度减少，同时反馈 功率和来自非线性负载的谐振分量得到了补偿，实现了用固定变化的频率控制电流的目的。 由于APF电路直流边的中点与三相交流源的中点连接具有相同的电势，每一个相位之间是非 耦合的，使用单位相模拟很容易扩展到三相位功率系统，因此通过数值模拟单位相功率系统 的方法，来说明反馈功率和谐振电流分量被消除的程度。
1APF的电路图
带有模糊逻辑控制器和自控积分比例(PI)直流电源的有源功率滤波器的电路 如图1所示。该电路的主要组成部分是：三相位电压源换向器、6个MOSFET开关、电流产生 和控制组件、直流电压控制组件、门控信号发生器等。
2APF主要组件的功能及工作原理
在图1中，由于APF和功率因子校正器是一个三相位脉宽调制，它强迫改变电 压源换向器与DC电容器连接，整个电路的输出功率将被控制。为了达到期望的输出结果，图 中6个MOSFET开关极性反并联，控制电容器上的电压，使APF的交流终端的电势存在两个值V CD／2和－VCD／2。在APF控制框图中，一个模糊逻辑控制器 与一个PI控制器组 合使用到内电流控制，调整相应的单个相位开关器件的接通时间，达到追踪每一电流线上参 考电流的目的。应用模糊逻辑控制器也有助于减少因度量负载电流以及APF输出电流所需的 器件数，降低电路的成本；内圈的PI控制器被用来滤除谐振分量带宽以外的噪音信号，同时 控制偏差信号的相关带宽来决定开关信号。电路中的噪音则主要来自于电容器上电压和同步 连结电抗器电流的波动。一个PI电压控制器被应用到外电容电压控制电路中，它能够提供定 态零偏差信号，这样在电容器上就得到一个几乎是定值的电压。电路中受迫三位相电压源换 向器的电容直流部分具有定值电压，电流谐振分量的消除主要是通过在连接点引入与非线性 负载上电流大小相等、位相相反的电流来实现，因此，在回路中必须具有产生任意位相的参 考谐振电流和反馈电流的组件，其电路如图2。
设电路中非线性负载的电流为
式中ω是非线性负载电流的基本角频率；θn和IL,n分别是第n阶谐振电流的相移和 振幅，ip、iq和in分别是非线性负载上对应相位的有效电流、反馈电流和谐振电流分 量的大小。
因为在APF回路中要进行功率因子校正和消除谐振电流，APF电路必须对非线性负载提供所需 的谐振电流分量和反馈电流分量。同时AC电路部分必须提供给APF的有效电流来补偿非线性 负载上有效电流和高频合闸电流引起的损耗。电路中非线性负载有效电流的产生是通过非线 性电流与单位正弦波的乘积来实现，而单位正弦波是通过相位锁定(PPL)电路来得到，除此 之外，反馈功率补偿也需要在回路内得到与参考电流同步的信号。单相位负载电流与同步正 弦信号的乘积相当于单个相位的负载电流被平移了ω单位，如式(2)。
根据式(2)，有效电流大小在零频率处，可应用一个带宽比ω角频率小、增益为2的低通滤波 器就能得到有效电流分量；放大器的输出这时就是非线性负载上有效电流的大小。交流部分 每一位相在适应电压源换向器和非线性负载二者之间合理运行的条件下，电路除了从DC总电压控制回路中得到的信号之外，直流信号与同步信号的乘积就是总的有效电流的 大小。这样非线性负载电流减去整个的有效电流就能够得到谐振电流。
除了PWM和PI控制器被应用到APF电路产生必要的信号之外，每个DC电容器的电压选择也是非 常重要的，它可控制APF输出电流的变化。对单位相电路图来说，当电容器上的电压比交流 干线上的电压在任意时刻都大时，电容器上电压的增加将引起APF输出电流的增加；反之则 引起APF输出电流的减少，APF电流控制系统如图3。
当模糊逻辑控制器发出必要的指令时，这个指令与高频锯齿载波相比较产生 的电信号控制每个臂上的开关进行工作。即使APF两个电容器的终端电势发生变化时，在内 电流控制回路中的模糊逻辑控制器也可通过两端感应元件的感应电势差作为控制输入变量之 一使APF正常运行。
在APF控制电路内，直流电容器和交流连接阻抗器参数的选择也直接影响APF的功能。因为磁 感应现象被应用到APF电路中减少电流的高频分量来达到追踪电流的目的。交流连接阻抗器 的参数选择标准不仅使感应电流的大小能够补偿电路在一个周期内的变化，而且它也与DC电 容器的电压、PWM信号发生器的开关频率以及谐振电流被消除的程度有关。L的选择 关系为
式(3)中的Δref是最大参考电流的变化，fswitching是PWM载波的开关频率，Vcap(dc)、Vac(amp)分别表示一个直流电容器上和单相位AC部分电压的大 小。
当最大电势差出现在感应器两端时，最大电流的变化将产生，这时电流增加持续的 时间将是 开关周期的一半，结果是在一个周期内需两次补偿最大电流的变化。当非线性负载上存在瞬 变功率时，为了控制低压波动的影响，电容器电容值的最佳选择为
式(4)中t1是电压开始波动的时间，Δt是电压波动持续的时间，Icap是电压波动 过程中 电容器上的电流，ΔV是电容器上电压的容许变化量，C是功率波动过程中限制电压所需要 的电容值。
3数值模拟
为了验证APF电路的功能，文中采用数值模拟的方法。
模拟结果是在下列两条基本假设下进行：(1)PI直流连接将稳定电容器上的电流电压为某一 期 望值，而且比单位相交流线路上的电压大。由于设计的控制回路中安装了PI电压控制器，这 个假设能够实现［1］；(2)参考电流能够从参考电流发生器中精确地得到。这个假设 也是有效的，因为有效电流分量能够通过低通滤波器在零频率附近提取，若提取的参考电流 还不够精确，也可通过调节模糊逻辑控制器的隶属函数来达到［2］。
APF的输出电流和参考电流如图4。APF运行功能的优劣是在交流源的谐振电流被识别的 条件下，APF的输出电流与参考电流之间偏差的谐振成分被消除的程度来判定的。根据模糊逻辑控制算法，应用快速傅立叶变换得到APF的输出电 流与参考电流偏差的谱图和APF谐振分量的谱图分别为图5a、图5b。该谱图对应的持续时间 为1.2 s，采样点数为76 754。从图5中可以发现：非线性负载的谐振电流的减少和反馈电 流的消除是非常满意的。在基频处，APF输出电流与参考电流的偏差相对反馈电流的大小为0.012。非线性电流在基频处是6。谐振 电流分量的衰减率在150 Hz、250 Hz和350 Hz处分 别是59.5077、16.0896和9.56，这些模拟结果说明APF的控制和输出功能是很完善的。
4结论
(1)该APF的干线电流具有正弦分布其位相与干线电压同相的特点。这样可以 补偿来自非线性负载的谐振和反馈电流分量；(2)在内电路中模糊逻辑控制器与PWM发生器的 组合应用，使控制目标简单、可靠、在不同条件下容易使用并且价格实用；(3)在控制电路 中不仅可使用偏差数据和偏差变化率，而且也可通过自感电势差来产生开关信号，使APF的 控制功能得到改善；(4)为了控制APF的输出电流，从阻抗器的电压到控制器的输入，与控 制有关的各种控制变量都被分析，结果显示，带有模糊控制的APF具有良好的输出电流追踪 能力。
参考文献
［1］Grady W M,Samoty M J,Noyola A H.Survey of active power li ne conditioning methodolgies［J］.IEEE Trans Power Delivery 1990,5(3):1536－1542 .
［2］Ross T J.Fuzzy logic with engineering applications McGraw－Hill［M］.New York,1995.
