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1、一种三相相并联有有源滤波波器的仿仿真研究究俞万能11 , 褚建新新21,2上上海海事事大学航航运仿真真中心 上上海 22001135 摘要：针针对广泛泛使用的的非线性性负载产产生谐波波和导致致功率因因数较低低的问题题，在建建立三相相并联型型有源电电力滤波波器数学学模型的的基础上上，把滑滑模变结结构控制制和模糊糊控制趋趋近律相相结合，设设计了一一种基于于模糊滑滑模变结结构控制制策略、用用于抑制制电网谐谐波、提提高负载载功率因因数的三三相并联联型有源源电力滤滤波器。模糊滑模变结构控制方案不仅消除了滑模变结构控制固有的高频颤动现象，对模型不确定性和外部干扰具有较强的鲁棒性，而且改善了系统到达段的品质
2、，同时跟踪误差可收敛到零的一个邻域内。通过仿真对该控制模型进行了验证，结果表明，方案切实可行，系统具有良好的动静态性能。关键词：数学模模型；模模糊滑模模变结构构控制；并联有有源电力力滤波器器；仿真真中图分类类号：TTM466文献标标识码： A The Simmulaatioon RReseearcch oof AA Shhuntt Thhreee Phaase Acttivee Poowerr FiilteerYU WWan-nenng 11 , ZHHU JJiann-xiin21,2MMariine Simmulaatioon Ceenteer, Shhangghaii Maarittim
3、ee Unniveersiity, 20001335Absttracct: Aimmingg too thhe pprobblemm off haarmooniccs aand loww poowerr faactoor ccaussed by widdelyy-ussed nonnlinnearr looad, annd aaccoordiing to thee maatheemattic modde oof sshunnt tthreee-pphasse aactiive powwer fillterr, aa shhuntt thhreee-phhasee acctivve ppowee
4、r ffiltter bassed on fuzzzy-sliidinng mmodee vaariaablee sttruccturre cconttroll sttrattegyywhiich is by inccorpporaatinng tthe sliidinng mmodee vaariaablee sttruccturre cconttroll annd ffuzzzy cconttroll reeachhingg-laaw iis ddesiigneed tto ssupppresss tthe harrmonnicss annd iimprrovee poowerr faac
5、toor. It cann noot oonlyy ellimiinatte tthe chaatteerinng oof ssliddingg moodell vaariaablee sttruccturre cconttroll annd mmakee syysteem hhavee sttronng rrobuustnnesss aggainnst moddel unccerttainntiees aand extternnal dissturrbannce, buut ccan alsso iimprrovee thhe ccharractter of reaachiing seggm
6、ennt aand traackiing errrorss coonveergee too a rannge of zerro, Thiis cconttroll meethood iis vveriifieed bby ssimuulattionn, aand thee reesullts of simmulaatioon sshoww thhe cconttroll meethood iis ffeassiblle, andd haave goood ddynaamicc annd sstattic perrforrmannce in thiis ssysttem.Keywwordds:
7、matthemmatiic mmodee;fuuzzyy-sllidiing modde vvariiablle sstruuctuure conntrool;sshunnt aactiive powwer fillterr;siimullatiion1 引言言随着电力力电子装装置的广广泛应用用，各类类非线性性负载产产生的谐谐波和无无功电流流对电网网的影响响日益严严重。在在各类有有源电力力滤波器器中，并并联型有有源电力力滤波器器能够有有效地补补偿电流流源型非非线性负负载产生生的无功功和谐波波电流，已已被广泛泛 研究究并有相相应产品品问世。而而并联型型有源电电力滤波波器的性性能在很很大程度度上取
8、决决于有源源电力滤滤波器电电流指令令信号获获取的速速度和精精度以及及逆变器器输出电电流的控控制策略略。滑模模变结构构控制在在本质上上是一种种开关型型控制，它它要求频频繁、快快速地切切换系统统的控制制状态，而而电力电电子开关关器件的的工作模模式便是是“开一关关”模式，两两者内在在的联系系是利用用滑模变变结构方方法控制制电力电电子变换换器，因因此应用用滑模变变结构理理论控制制电力电电子变换换器是可可行的。但但变结构构在切换换线附近近到达速速度过快快，开关关控制力力有限和和开关的的惯性使使运动难难以立即即反向，从从而造成成对切换换线的来来回穿越越形成抖抖振11。采采用模糊糊控制策策略来控控制变结结构
9、控制制系统的的趋近律律，把变变结构控控制和模模糊控制制相结合合，可以以综合两两者的优优点，由由变结构构控制保保证系统统的稳定定性，由由模糊控控制控制制变结构构趋近律律来减弱弱抖振。随随着现代代电力电电子技术术和数字字信号处处理器的的发展，使使模糊变变结构控控制应用用于有源源电力滤滤波器能能获得良良好的控控制效果果。2 并联联型有源源电力滤滤波器数数学模型型并联型AAPF的的结构如如图1所示。为为了使电电源电流流中只包包含基波波成分，而而不存在在谐波分分量，AAPF必必须提供供与负载载电流的的谐波分分量大小小相等、方方向相反反的补偿偿电流，从从而抵消消电网中中的谐波波电流2。图1 并联联型APP
10、F的结结构对于图11所示的的三相无无中线VVSR拓拓扑结构构，若忽忽略VSSR交流流侧电阻阻，可得得VSRR电压矢矢量方程程为： （11）并联型AAPF的的最终目目的就是是把电源源电流调调节成与与电源电电压同相相位的正正弦波。为为此，可可构造一一个电源源电流闭闭环跟踪踪控制系系统，并并设定电电源电流流为给定定值，所所以控制制的目的的是使能能很好很很快地跟跟踪。定定义系统统状态变变量为3: （2） 将式(22)代入式式(1)，可得得状态方方程: （3）定义扰动动为： （44）则状态方方程（33）可以以转换为为 （55） 上式可以以写为：（6）3 模糊糊变结构构控制器器设计根据滑模模变结构构理论，
11、定定义滑模模切换线线为 （77） 根据变结结构可达达性条件件，必须须满足0 ，即 （88）也就是 （99） 为了方便便地找出出变结构构控制规规律，这这里采用用空间矢矢量进行行分析。如如图2所所示，不不同的控控制量 (k = aa, bb, cc)对应应不同的的电压控控制矢量量。根据据式(6),参照照图2，得得出图33中的区区域划分分。电流流空间矢矢量图区区域的划划分规则则如表11所示44。VIIIIIIIVVI图2 电电压空间间矢量图图图3 电电流空间间矢量图图表1 电电流空间间矢量图图区域的的划分规规则区域123456isaa+-+isbb-+-iscc-+在充分大大或不考考虑系统统扰动ee
12、的情况况下，根根据式(5)，可以以画出不不同控制制电压矢矢量时不不同的矢矢量图。当当所在的的区域已已知时，可可以从式式（9）确确定，从从而找出出合适的的。例如如:当落在22区内，如如图3所所示，只只有选择择电压VV5 ,才有有，可以以满足式式(9)。依此此类推，可可以得到到所在区区域和控控制量之之间的关关系如表表2所示示45。表2所在在区域与与控制量量之间的的关系is区区域123456va001110vb100011vc111000当系统状状态点趋趋近于滑滑模切换换线时将将采用由由模糊控控制变结结构趋近近律参数数的变化化。把变变结构控控制和模模糊控制制相结合合可以综综合两者者的优点点，变结结构
13、控制制保证系系统的电电流平衡衡和稳定定性，由由模糊控控制来控控制变结结构趋近近律以减减弱系统统抖振67。定义滑动动模态正正常运动动段趋近近律如下下: （100）根据状态态点距离离切换线线S=00的远近近来控制制滑模趋趋近律的的大小。如如果系统统状态点点离切换换线越远远，就越越大，反反之就越越小。这这样在切切换线ss=0附附近减小小系统状状态点趋趋近切换换线的速速度就可可以减弱弱系统的的抖振。模模糊控制制系统采采用单输输入单输输出形式式，一个个输入就就是系统统状态点点到切换换线s=0的距距离，输输入和输输出分别别记做和和根据模糊糊规则:if iis LS i tthenn iss FUU j其中
14、: LS i对应的语语言变量量; FUU j为对应应的语言言变量。设设语言变变量LSS取:PBB, PPM, PS, PZZ, NNZ, NS, NMM, NNB;语语言变量量FU也取取:PBB, PPM,PPS, PZ, NZZ, NNS, NM, NBB。其中中PB为正正大，PPM为正正中，PPS为正正小，PPZ为正正零，NNZ为负负零，NNS为负负小，NNM为负负中，NNB为负负大77。由图4可可知切换换线S=0将相相平面分分为两个个对称的的部分，所所以控制制的幅度度也是对对称的。所所以只需需选择作作为模糊糊控制器器的输入入，作为为模糊控控制器的的输出。这这样LSS、FU的论论域分别别减
15、少一一半，规规则从88条减为为4条8。控控制系统统的原理理图5所所示。NZ NZ NZ NZNS NS NS NSNM NM NM NMNB NB NB NBPB PB PB PBPM PM PM PMPS PS PS PSPZ PZ PZ PZS=0图4 模糊控控制图图5 模糊变结构控制系统的原理图4 仿真与分分析为探索上上述系统统，根据据图5进进行了MMatllab仿仿真，系系统的仿仿真模型型如图66所示。系系统负载载选用电电感加晶晶闸管相相控整流流桥(触触发角为为6000)结构构，Vss3880V，ff500Hz，电电感为115mhh，电容容为25500F，Vd9000V。此此处给出出了
16、对谐谐波和基基波无功功功率同同时补偿偿的波形形图，仿仿真时间间为5个个工频周周期，系系统在半半个周期期后进入入稳态。仿仿真结果果如图77，图88，图99所示。 图6 系统统的Maatlaab仿真真模型 图7 负载侧侧电流的的原始波波形图8 滑模控控制下的的电网电电流波形形图9 模糊滑滑模控制制下的电电网电流流波形图7为负负载侧电电流的波波形，从从中可以以看出电电流波形形有一定定的谐波波成分。图图8为滑滑模控制制下的电电网电流流波形。图图9为模模糊滑模模控制下下的电网网电流波波形。根根据图88和图99不同控控制方式式下的电电网电流流的波形形比较，可以看出用变结构理论控制并联有源电网调节器可以使系
17、统获得良好的控制性能，但由于抖振现象的存在，使控制系统输出电流曲线并不是十分光滑，存在一定误差。而模糊滑模控制并联有源电网调节器运用模糊控制算法控制变结构的趋近律，不仅消除了滑模变结构控制固有的高频颤动现象，对模型不确定性和外部干扰具有较强的鲁棒性，而且改善了系统到达段的品质，同时跟踪误差可收敛到零的一个邻域内，提高有源滤波器的性能。五 结结论本文通过过对变结结构控制制应用于于并联有有源滤波波器的数数学模型型、切换换函数与与控制算算法的分分析以及及仿真结结果可以以看到，鉴鉴于在电电力电子子逆变器器电子开开关中，电电力电子子器件的的唯一工工作方式式就是“开”和“关”的操作作，这样样的开关关动作引
18、引发的控控制不连连续，将将其描述述为变结结构系统统并采用用滑模变变结构控控制，确确实具有有天然的的合理性性。为了了减少系系统的抖抖振采用用模糊控控制策略略控制变变结构的的趋近律律大小，仿仿真结果果表明，此此方法即即可加快快系统的的响应速速度，又又能有效效地减少少滑动模模态上的的抖振，从从而增强强控制系系统的稳稳定性，改改善了系系统的动动、静态态性能。所以基于模糊滑模变结构控制的并联型有源电力滤波器在不增加硬件成本的条件下取得了较常规方法更优良的补偿性能，有一定的应用前景。参考文献献1胡胡庆，于于海雁，夏夏桂文，于于立新.滑模变变结构控控制在DDC-DDC变换换器中的的应用.沈阳工工业大学学学报
19、.20002.22第24卷第第1期:777-5992 王兆安安，杨军军，刘进进军.谐波波抑制和和无功功功率补偿偿机械械工业出出版社，220022.2 M3PPengg Faang Zheeng. Apppliicattionn isssuees oof AActiive Powwer Fillterrs. IEEEE IInduustrry AAppllicaatioonMaagazzinee（S110777-26618）, 1998. Sep./Oct: 21-304 张祟巍巍 ,张兴.PWWM整流流器及其其控制,机械工工业出版版社，220022.100 MM5 李现兵兵, 牛牛忠霞, 王广
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