[发明专利]一种基于滑模PI复合控制算法的并联APF直流侧电压控制方法

摘要

一种基于滑模PI复合控制算法的并联APF直流侧电压控制方法。该方法首先采用同步旋转坐标变换，建立dq坐标系的低阶系统模型；然后根据滑模面选取原则确定直流侧电压的滑模切换函数；最后根据滑模面的切换函数设计PI控制器的控制参数输出函数。该控制方法提高直流侧电压的稳态性能和响应速度，同时有效减小电压波动；基于滑模PI复合控制算法的并联APF控制系统具有良好的鲁棒性能和动态性能。本发明一种滑模PI复合控制算法的并联APF直流侧电压控制方法，通过滑模控制器来确定PI控制器参数，提高负载突变和参考电压跳变时的稳态精度和响应速度，降低直流侧功率损耗以保证并联有源滤波器的补偿能力。

主权项

1.一种基于滑模PI复合控制算法的并联APF直流侧电压控制方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1：建立并联APF在dq坐标系的低阶系统模型:usk(k＝a,b,c)为三相接入点电压；ufk(k＝a,b,c)为三相各桥臂中点电位；is(a,b,c)、if(a,b,c)、is(a,b,c)分别为电源输入电流、负载电流和补偿电流；R为线路及电感的等效电阻；L为平波电感；C为直流侧电容；电容两端电压为udc；为简化并联APF控制系统的设计，设开关处于理想状态，忽略开关参数的影响；同时采用同步旋转坐标变换，将abc坐标系下的强耦合高阶系统模型变换到dq坐标系的低阶系统模型，设dq坐标系下，接入点电压为usd、usq，并联APF桥臂电压为ufd、ufq，并联APF补偿电流为ifd、ifq，则并联APF的数学模型为：步骤2：检测直流侧电容电压udc，将其与直流侧参考电压值udcref作比较，得出误差信号，此误差信号经过滑模PI控制器得到电流内环的电流参考值ifd_ref，通过检查出电流内环的电流实际值ifd，将ifd_ref与ifd作比较得出误差信号，此误差信号通过d轴电流控制得到Ud；udc(s)为电容两端电压的拉斯形式；id(s)为d轴电流的拉普拉斯形式；Rdc为直流侧电阻；C为直流侧电容；直流侧电压PI控制器，在APF正常工作状态仅补偿谐波电流和无功电流，为简化推导过程，令q轴电流为零，则利用d轴电流推导有源滤波器直流侧电压的传递函数为：式(2)中b＝1/C，a＝1/RdcC；根据变流器传统双闭环控制器的设计思路，令电流闭环传递函数为φc(s)，由于电压外环响应速度远小于电流内环响应速度，将电流内环用常数代替从而简化直流侧电压PI控制器的设计过程，则得到电压外环开环传动函数为：式(3)中Tv＝RdcC，该系统是一个典型的二阶系统，消去零极点简化控制器的设计得到闭环传递函数：式中τ＝C/Kp；APF直流侧的控制器主要是用于电压的稳定控制，其控制自由度变量采用直接变量直流电压udc，这样直接对控制量进行控制；根据选取滑模面的原则，定义直流侧电压的滑模控制面为：式(5)中k为正常数；滑模控制器的输出用于确定PI控制器参数，基于滑模控制的PI控制器：式(6)中ksp，ksi为PI控制器的参数，它们是由滑模控制器按照所设计的滑模控制面(5)来决定其值的大小，其主要特点是根据系统的变化而得到合适的PI控制参数，利用式(2)和(6)得到直流侧电压的动态闭环函数：为保证直流侧电压的稳定控制，根据式(7)得到一下关系式：为使式(8)成立，根据滑模面(5)设计PI控制器的控制参数输出函数：式(9)中控制参数kp+、kp‑、ki+、ki‑都为正数，这些控制参数是在满足PI控制输出特性下的整定结果，它们按照标准PI控制器的方法来进行整定；同时为消除系统在滑模控制面附近产生的直流电压波动，分别在PI控制器的微分和积分参数加上正参数kav_p、kav_i，从消除由滑模面抖振造成直流侧电压的波动问题，其中sgn(s)为饱和函数：在滑模控制器的滑模面邻域内，基于滑模控制器的系统将于有限时间到达切换面，则意味着滑模模态存在，滑动模态存在是滑模变结构控制器应用的前提，选取的李亚普诺夫函数为：并对时间求导得：式(12)中k为正常数，且大于零，式(12)小于零恒成立，则证明了所设计滑模控制器的稳定性；为消除系统在滑模控制面领域产生的直流电压波动，分别在PI控制器的微分和积分参数加上正参数kav_p、kav_i，从消除由滑模面抖振造成直流侧电压的波动问题，当S>0时，ksp＝2kp++kav_p，ksi＝2ki++kav_i；当S＜0时，ksp＝2kp‑+kav_p，ksi＝2ki‑+kav_i；步骤3：检测此时的负载电流iL的谐波分量iLh，若此时负载电流没有谐波则稳定运行，否则返回步骤2，重复步骤2。