基于模糊PID控制的有源電力濾波器諧波抑制方法研究*

龐科旺 陳家茂

（江蘇科技大學 鎮江 212000）

1 引言

隨著電力電子技術及電機控制技術的快速發展，使得電力電子裝置在電力船舶系統的應用越來越廣泛，尤其是船舶電力推進逐漸替代傳統柴油機推進的趨勢下，船舶中電力電子設備數量越來越多，容量也越來越大，這就不可避免地產生大量的諧波，對船舶電網的正常穩定運行產生嚴重影響，諧波污染問題愈加難以防范［1］。

船舶電網中諧波的存在，具有極大的危害性［2］，它不僅破壞了船舶電網工作時的穩定性，降低電網電能質量，還使船舶中的電力電子設備裝置使用年限減少，降低電網運行安全的可靠性。為了消除諧波對船舶電網造成的危害，需要對船舶電網諧波進行有效的治理。目前，諧波治理措施主要分為兩種類型，一是主動型［3］，該類型是針對諧波本身，從根源上截斷諧波源的產生；二是被動型［4］，該類型是使用具有抑制諧波作用的產品或儀器減少諧波對船舶電網的危害。本文采用被動型諧波抑制方法，采用基于模糊PID控制并聯型有源電力濾波（Shunt Active Power Filter，SAPF）對某一船舶電網諧波進行抑制［5］。對比基于PID控制并聯型有源電力濾波，仿真結果表明，模糊PID智能控制對船舶電網諧波的抑制更有效，完全滿足我國船級社對電網諧波含量的要求。

2 并聯型有源濾波器

船舶電力系統中通常采用三相三線絕緣制的電網拓撲結構，采用并聯型有源電力濾波器能產生較好的諧波治理效果［6］，其基本結構圖如圖1所示。

圖1 SAPF基本結構

如圖1所示，SAPF與諧波源并聯后接入電網，其基本結構由四部分組成，即指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、主電路驅動電路和主電路［7］。SAPF中，指令電流運算電路檢測出負載電流中的諧波分量，保證指令信號的準確，再以輸入的諧波分量為基礎，將其相位取反，從而得到補償電流發生電路的指令信號。將指令信號輸入主電路，并在主電路中產生補償電流，將補償電流輸入負載電流，讓負載電流諧波分量與補償電流相互抵消。從理論上使負載電流只余基波電流分量，有效消除諧波，降低電網諧波含量。

SAPF從非線性負載處檢測諧波分量，檢測出的諧波分量可以讓其主電路對電網輸出相應的補償電流［8］。因此需要使用電流檢測算法來檢測諧波電流分量，好的檢測算法可以使SAPF對電網的補償效果更好。傳統的諧波電流檢測算法的種類很多，各有其優缺點，但都無法同時達到高精度測量和快速性的要求，并且在基波電流參數變化波動劇烈的情況下，還會極大地影響檢測的精確度。在眾多智能檢測算法中，基于瞬時無功功率的ip-iq檢測算法具有較高的檢測精度，并被廣泛采用，因此本文也采用此種檢測算法［9］。

3 基于瞬時無功功率的ip-iq檢測算法

基于ip-iq檢測法的諧波檢測法雖然檢測精度高［10］，但其不足之處是極易受到低通濾波器的負面干擾，讓檢測性能下滑。其結構原理如圖2所示。

圖2 基于ip-iq檢測法的諧波檢測法原理圖

圖2中，PLL為鎖相環，LPF為低通濾波器。C、C32、C23均為變換矩陣。

電網采用三相三線制電路［11］，設ea、eb、ec為電網瞬時電壓，ia、ib、ic為瞬時電流。在α-β正交坐標系中的兩相瞬時電壓為ea、eβ和瞬時電流為ia、iβ。

則可用三相電路的ia、ib、ic來表示電路中瞬時有功功率p和瞬時無功功率q。

根據瞬時無功功率理論原理，可以得出ip、iq的表達式：

經過ip-iq諧波檢測算法流程后，可得到畸變電流

綜上，ip-iq諧波檢測算法很合適運用在三相三線制電路中，并且在不對稱電網及電壓波形畸變的情況下，由于只有sinωt和cosωt參與計算，能準確地檢測出諧波電流。

4 基于模糊PID控制的有源電力濾波器

由于模糊控制不需要準確的數學模型，使得在對非線性負載的控制中往往能得到良好的控制效果。將模糊控制與常規PID控制相結合，可以提高控制的魯棒性［12］。模糊PID控制框圖如圖3所示。

圖3 模糊PID控制系統框圖

Kp、Kp、Kp與e和ec間有著很大聯系，用公式表達如下：

模糊PID控制器首先對e和ec進行實時檢測，要確保e的檢測精準，并對ΔKp、ΔKi、ΔKd進行修正，使e和ec變化時滿足對Kp、Kp、Kp變化的需求。參數的修正是依據模糊控制規則表進行的。

5 仿真與分析

5.1 模糊PID有源電力濾波仿真模型

基于模糊PID策略的有源電力濾波的仿真模型如圖4所示。模型由諧波檢測、電流跟蹤比較控制與主電路和帶模糊PID控制策略的直流側電壓反饋控制三部分組成。

圖4 基于模糊PID策略的有源電力濾波器仿真模型

5.2 仿真結果與分析

5.2.1 基于PID控制的有源電力濾波仿真結果

手動優化PID參數，在KP=0.03，KI=0.001，Kd=0時，可得較好的濾波效果。仿真模型穩態運行后的電流ia波形和頻譜如圖5和圖6所示。

圖5 A相電源電流波形

圖6 A相電源電流頻譜分析

從圖6可以看出，采用基于PID控制策略時，輸出的5、7次諧波含量都小于10%，而11、13次諧波含量低于5%，總畸變度THD為4.01%，諧波抑制效果較明顯。但圖5中電流的尖峰抖動幅度較大，呈現鋸齒狀。此種方法雖然能有效抑制諧波含量，需要反復調節PID參數尋優，實時性不好。

5.2.2 采用基于模糊PID控制的有源電力濾波器仿真結果

圖7是仿真穩定后，基于模糊PID控制的有源電力濾波的電網電流ia和頻譜仿真波形如圖7和圖8所示。

圖7 A相電源電流波形

圖8 A相電流頻譜圖

從圖7可以看出，電流ia波形明顯好于PID控制，波形的尖峰畸變程度很小。從圖8中可以看出，5、7次諧波含量小于5%，而11、13次諧波含量更是只有2%左右，總畸變度THD為2.47%，改善效果顯著。

5.2.3 仿真結果對比與分析

只采用PID控制策略的APF時，諧波抑制效果隨有明顯改善，但需手動進行參數尋優。而采用模糊PID控制策略的APF，諧波抑制改善效果更好，且實時性強，THD減少到2.47%，符合IEEE-519以及我國船級社對諧波總畸變的標準。

6 結語

在船舶電網中，使用并聯有源電力濾波器，采用ip-iq諧波檢測算法，可較準確地檢測電網諧波。采用基于模糊PID控制的有源電力濾波器，比傳統的PID控制方法，更能有效地抑制船舶電網的諧波。