摘要：有源电力滤波器自适应PID控制技术能在线调整控制参数，实现谐波电流补偿的实时控制。本文在并联电压型有源电力滤波器中采用了一种自适应模糊PID控制方法，获得有源电力滤波器最优PI参数。将该方法应用于仿真电路，证明了该控制策略的正确性和有效性，为并联电压型有源电力滤波器提高响应时间和准确滤除谐波创造了有利条件。
关键词：有源电力滤波器；谐波；模糊控制；PID控制
０引言
有源电力滤波器（APF）作为动态抑制电网谐波、补偿无功功率的新型电力电子装置，近年来得到了大规模应用和快速发展。有源电力滤波器由于采用了电压型并联有源电力滤波器的模式，检测得到的谐波电流波形不能直接用来作为有源电力滤波器的输出控制信号，而是通过控制装置的输出电压来控制产生的补偿电流。输出电压波形的产生是采用适当的控制算法，根据系统参数对目标补偿电流进行运算得到的，该方法能够使得实际电流跟踪检测得到的谐波电流。
有源电力滤波器控制算法的研究是其研究的重点，PID控制是最早应用于此的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用。随着现代控制理论（诸如智能控制、模糊控制等）的发展，出现了许多新型PID控制器，为解决复杂无规则系统的控制开辟了新途径。本文就并联电压型有源电力滤波器中实际补偿电流对谐波电流的跟踪采用自适应PID控制进行研究[1，2，3]，为了能够整定得到最优PI参数，加入了人工智能中的模糊技术，最后利用加入了自适应模糊PI控制器进行谐波电流跟踪，仿真验证了该控制器的正确性和有效性。
1.新型PID控制
控制理论的发展经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理论三个阶段。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器已在工程实际中得到了广泛的应用，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现[4，5]。
（1）PID控制的原理和特点
在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依赖经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量，对被控变量进行自动跟踪控制。
（2）PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用[5]。
（3）自适应PID控制
在实际的工业过程控制中，许多被控过程机理较复杂，具有高度非线性、时变不确定性和纯滞后等特点，在噪声、负载扰动等因素的影响下，过程参数，甚至模型结构，均会发生变化。这就要求在PID控制中，不仅PID参数的整定不依赖于对象数学模型，并且PID参数能在线调整，以满足实时控制的要求。自适应PID控制将是解决这一问题的有效途径。
2 基于自适应模糊PI控制的有源电力滤波器
（1）有源电力滤波器控制结构
有源电力滤波器的结构图如图1所示。
图1 有源电力滤波器结构图
从图中可知，有源电力滤波器要补偿的谐波电流为负载的谐波电流，谐波电流检测单元采用 － 运算方式求取参考谐波电流。算法控制单元采用三角波比较控制实现对参考谐波电流的实时跟踪，其中形成参考电流之前加自适应PID控制进行调节，由于要做到实时性，D环节增加了延时，所以这里只采用自适应PI调节。电流跟踪控制图如图2所示。
图2 电流跟踪控制图
（2）有源电流滤波器自适应模糊PI控制策略
有源电力滤波器采用自适应PI控制器对谐波电流的跟踪，但是单一的自适应PI控制效果并不理想，其整定出来的PI参数不是最优参数，而随着人工智能的飞速发展，可以利用人工智能中模式识别、推理等方法来整定、校正、优化PI控制参数，同时完成在线控制任务。
模糊自适应PID控制系统是在在常规PID控制器的基础上，以误差e和误差变化率ec（
）作为输入，采用模糊推理的方法对PID参数Kp、Ki、Kd进行在线自整定，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求，而使被控对象具有良好的动、静态特性。利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了自适应模糊PID控制算法，其结构如图3所示。
图3 自适应模糊PID控制器结构
将模糊自适应PID控制系统应用于有源电力滤波器的控制算法中，可以有效获得优化的PI控制参数，从而进行谐波电流的跟踪补偿，其效果要优于单一自适应PI控制的有源电力滤波器。
（3）模糊自适应PID控制有源电力滤波器仿真
利用MATLAB的SIMULINK工具包软件对图2所示有源电力滤波器进行仿真分析。其中电源电压为380V，系统电抗 为0.1mH，采用三相不可控整流谐波源负载。自适应模糊控制器使用图4所示的结构进行自整定参数寻优。其中A相的谐波电流进行跟踪检测得到的谐波电流仿真如图4所示。上图为负载谐波电流，下图为结果模糊自适应PI控制计算获得的实时补偿电流，其补偿跟踪电流的精确性和实时性都由较大提高。
图4 模糊自适应PI控制时实际补偿波形
从上图可以看出，负载电流含有很多高次谐波，而补偿电流采用了PWM控制采用三角载波，由于有效准确实时获得了负载谐波电流，其跟踪效果十分优秀。
3结论
有源电力滤波器是改善电能质量、抑制谐波的有效方法，本文采用模糊自适应PID控制方法就并联电压型有源电力滤波器中实际补偿电流对谐波电流的跟踪进行了研究，为了能够整定得到最优PI参数，加入了人工智能中的模糊技术，完成在线实时控制跟踪补偿。最后对该控制算法进行了仿真分析，仿真结果验证了加入自适应模糊PI控制器进行谐波电流跟踪后，有源电力滤波器控制器在谐波跟踪补偿方面的正确性和有效性。
参考文献：
[1]彭建春，王耀南．基于P-Fuzzy-PI控制的电力系统稳定器[J]．电力系统其自动化，1997，21（10）：32-34．
Peng P-Fuzzy-PI control based power system stabilizer[J].Automation of Electric Power Systems，1997，21（10）：32－34.
[2]曾庆山，曹广益，王振滨．分数阶PIλDμ控制器的仿真研究[J]．系统仿真学报，2004，16（3）：465-470．
[3]A.A.Kilbas，H.M.Srivastava，J.J.Trujillo，Theory and Applications of Fractional Differential Equations[M].Amsterdam，Netherlands： Elsevier Science 2006.
收稿日期：
作者简介：
1、张轲（1980年---），男，华北电力大学本科、昆明理工大学电气工程在读研究生，工程师，主要从事配电网新技术、网架建设及相关管理等研究工作，参与编制南方电网公司及云南电网公司配网的标准设计。
2、金鑫（1987年---），男，四川大学电气工程及其自动化专业本科，助理工程师，主要从事10kV～500kV变电站的电气专业设计和相关研究工作。
论文作者:张轲1,金鑫2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第28期
论文发表时间:2019/3/20
标签：谐波论文; 电流论文; 滤波器论文; 自适应论文; 控制器论文; 电力论文; 参数论文; 《电力设备》2018年第28期论文;