仿真模型的建立及分析结果

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：图3-25 三角形隶属度函数模糊控制规则是模糊控制的核心，因此，如何建立模糊控制规则成为一个十分关键的问题。根据表3-3所示参数，由式可得D0=0.24；由式可得x0=[0.11573600]T；由式可得图3-28 模糊控制器输出曲线图3-28 模糊控制器输出曲线图3-29 有源电力滤波器整体仿真模型表3-3 仿真参数图3-29 有源电力滤波器整体仿真模型表3-3 仿真参数取正定矩阵取正定矩阵根据实验取定根据实验取定具体仿真结果如下：1）图3-30所示为无滤波器的情况下电网电流波形。

1.仿真模型的建立

由于二输入的模糊控制相当于比例-微分（proportional differential，PD）调节器，APF作为一种仿射非线性随动系统，直流侧电容电压在调节过程中小范围波动不可避免，为降低控制器微分作用带来的干扰，这里采用一维模糊控制器，控制器以直流侧的实际电压与参考电压之间的偏差e（t）为模糊输入变量，以电网注入APF主电路的有功电流控制量ΔI_P为模糊输出变量u。

模糊输入量e（t）定义如下

e（k）=U_ref-U_dc（k）（3-31）

式中，U_dc（k）为第k时刻的直流侧电容电压；U_ref为参考电压。

设模糊控制器的输入变量e（t）和输出变量u经过尺度变换后的论域均为

X=｛-6-5-4-3-2-10123456｝

在其论域上取7个语言变量：NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB。输入变量e（t）和输出变量u均选用交叠对称分布的三角形隶属度函数，如图3-25所示。

图3-25 三角形隶属度函数

模糊控制规则是模糊控制的核心，因此，如何建立模糊控制规则成为一个十分关键的问题。模糊控制规则是对人类行为和决策分析过程的最自然的描述方式，它建立了模糊输入变量与模糊输出变量之间的联系，多采用IF—THEN形式的模糊条件句。

图3-26所示是APF直流侧电容电压变化过程的参考曲线，可以根据此曲线来制定模糊控制规则。

根据图3-26所示变化过程和已有直流侧电容电压控制经验，可得模糊控制规则如表3-2所示。

表3-2 直流侧电容电压模糊控制规则

这里的模糊推理系统采用Mamdani类型，即采用如下形式的模糊蕴含关系：If e is A then u is C去模糊化方法，采用了面积重心法（centroid）得到模糊控制器的输出值——电网注入APF主电路的有功电流控制量ΔI_P。

图3-26 APF直流侧电容电压变化过程的参考曲线

这里仿真所用模糊控制器是运用MATLAB自带模糊控制器编辑（FTS）环境设计完成，模糊控制规则表如图3-27所示，模糊控制器输出曲线如图3-28所示。

图3-27 模糊控制规则表

根据图3-22、图3-24所示的控制原理图，建立有源电力滤波器在模型参考自适应控制和模糊PI复合控制策略下的整体模型，如图3-29所示，其中包括非线性负载模块（Nonlin-ear Load）、谐波电流检测模块（Harmonic Creator）、滤波主电路（APF Main Circuit）、PWM变换模块（PWM Creator）、模型参考自适应电流跟踪补偿模块（MARC Controller）和直流侧电容电压模糊PI复合控制模块（Fuzzy-PI Controller）等部分。

2.仿真结果与分析

在基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器的自适应电流跟踪控制和滞环电流跟踪控制的仿真中，直流侧电容电压的模糊PI复合控制的参数均为k_p=0.2，k_i=0.01；直流侧电容电压的常规PI控制仿真参数同样为k_p=0.2，k_i=0.01。

根据表3-3所示参数，由式（3-12）可得D₀=0.24；由式（3-11）可得x₀=[0.11573600]^T；由式（3-10）可得

图3-28 模糊控制器输出曲线

图3-29 有源电力滤波器整体仿真模型

表3-3 仿真参数

取正定矩阵

根据实验取定

具体仿真结果如下：(https://www.chuimin.cn)

1）图3-30所示为无滤波器的情况下电网电流波形。

图3-30 无滤波器时电网电流波形

2）图3-31所示为增设基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器电流自适应控制后电网电流波形。

图3-31 增设基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器电流自适应控制后电网电流波形

3）图3-32显示了模糊PI复合控制的直流侧电容电压的整体变化波形。

4）图3-33是在非线性负载投切时基于常规PI控制和模糊PI复合控制的直流侧电容电压跟踪波形的局部放大效果。

5）图3-34所示为MRAC控制器前馈增益K的输出波形。

图3-32 直流侧电容电压全局调节跟踪曲线

6）图3-35所示为MRAC控制器反馈增益F的输出波形。

7）图3-36所示为无滤波器时电网电流频谱图。

8）图3-37所示为增设基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器电流滞环控制后电网电流频谱图。

9）图3-38所示为增设基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器电流自适应控制后电网电流频谱图。

图3-33 非线性负载投切时基于常规PI控制和模糊PI复合控制的直流侧电容电压跟踪波形

图3-33 非线性负载投切时基于常规PI控制和模糊PI复合控制的直流侧电容电压跟踪波形（续）

图3-34 MRAC控制器中的前馈增益K值

在仿真过程中，非线性负载变化两次，第一次在APF系统运行至0.4s时，并联一组负载到系统；第二次在APF系统运行至0.72s时，将0.4s时并入系统的负载去除。

从图3-30中可以看出，由于非线性负载影响的缘故，电网电流的波形存在严重失真现象。

从图3-31中可以看出，增加滤波器后，电网电流波形的失真现象得到了明显改善。

图3-35 MRAC控制器中的反馈增益F值

从图3-32中可以看出，直流侧电容电压的实际值可以很好地跟踪设定的电压值600V。

由图3-33可以看出，模糊PI复合控制的直流侧电容电压较常规PI控制时有超调量小、稳态精度高、鲁棒性好等优点，可以更好地跟踪电压设定值。

由图3-34和图3-35可以看出，前馈增益K和反馈增益F两个参数经过有限时间后趋于稳定，这两个参数与被控系统相互配合共同组成可调系统，使得被控模型跟踪参考模型变化，获得期望的模型特性，并可知MRAC控制作用的有效性。

图3-36 无滤波器时电网电流的频谱图

图3-37 增设基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器电流滞环控制后电网电流的频谱图

由图3-36可知，非线性负载导致电网电流含大量谐波，此时THD=45.82%；图3-37所示是增设基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器电流滞环控制后电网电流的总谐波含量，此时THD=4.26%；图3-38所示是增设基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器电流自适应控制后电网电流的总谐波含量，此时THD=3.84%。由此可见，基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器电流自适应控制方法对电网谐波的抑制更有效。

图3-38 增设基于模糊PI复合控制的有源电力滤波器电流自适应控制后电网电流的频谱图

仿真模型的建立及分析结果

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