模糊控制有源电力滤波器在电力推进船舶中应用.pdf

5 2 卷第1 期( 总第1 9 4 期) 2 0 1 1 年3 月 中国造船 S H I P B U ，D I N GO FC m N A V 0 1 5 2N o 1 ( S z r i a lN o 1 9 4 ) M a T 2 0 1 l 文章编号：1 0 0 0 - 4 8 8 2 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 1 9 3 0 8 模糊控制有源电力滤波器在电力推进船舶中应用 赵红1 ，郭晨2 ，姚玉斌1 ( 1 大连海事大学轮机工程学院，大连1 1 6 0 2 6 ；2 大连海事大学信息科学技术学院，大连1 1 6 0 2 6 ) 摘要 电力推进船舶中，由于电力电子开关器件在推进电机变频调速装置中的广泛应用，使之在船舶电力系统 中产生了大量的谐波，通常的解决方案是施加无源L C 滤波器装置。近年来，克服了无源滤波器种种不足的 有源电力滤波器( A c t i v e P o w e r F i l t e r ，A P F ) 得到了快速发展，该文将A P F 应用到电力推进船舶的电力系统 中，并将模糊控制策略分别应用到并联型A P F 的电流跟踪环节和直流测电压控制环节仿真结果表明，与常 规的并联型A P F 相比，该文提出的基于模糊策略的A P F 具有更好的谐波抑制性能。 关键词：有源电力滤波器；电力推进船舶；模糊控制；M A T L A B 仿真 中图分类号：U 6 6 5 1 4文献标识码：A 0 引言 2 0 世纪8 0 年代以来，电力电子技术、现代控制技术、微电子技术和计算机技术的进步，使交流 变频调速技术取得了突破性进展，电力推进船舶亦随之迎来了一个蓬勃发展的新时期。豪华邮船、 破冰船、轮渡船、工程船等民用船舶以及军用舰船等越来越多地采用了基于交流传动的电力推进方 式。交流推进电机的调速主要采用变频调速，在采用电力电子器件实现变频调速的过程中，由于电 力半导体器件的开关特性，在其输入和输出侧的电压和电流中都会出现波形畸变，从而产生了大量 的谐波。大量谐波的存在，不仅使船舶发电、输电和用电设备的效率降低，而且会使电气设备过热， 并导致绝缘老化、使用寿命缩短，甚至发生设备故障或烧毁；谐波还会对船舶电力系统中的继电保 护和电力测量等设备带来严重影响，引起误动作和拒绝动作，降低了继电保护设备和自动控制装置 的可靠性。此外，谐波对船上的通信设备也会产生严重的电磁干扰。因此，谐波抑制问题在电力推 进船舶上显得尤为重要。 过去国内外大多采用L C 无源滤波装置进行谐波抑制和无功补偿，但其存在损耗大、与无功补偿 要求难以协调、只能补偿固定频率谐波等缺点。目前的趋势是采用电力电子装置进行谐波补偿，即采 用有源滤波器( A c t i v eP o w e rF i l t e r ，A P F ) 。A P F 的主要优点有：( 1 ) 实现了动态补偿。( 2 ) 滤波器特 性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险。( 3 ) 同时对谐波和无功进行补倒1 。2 1 。 A P F 的电流跟踪环节和直流测电压控制环节通常是采用具有固定参数的常规P I 控制器，尽管常规 P I 控制器具有算法简单、可靠性高等优点，但将其应用到船舶电力系统时，却不能达到理想的控制效 果，这主要是因为船舶电力系统本身具有时变、非线性的特点。由于模糊控制不依赖过程的数学模型， 收稿日期：2 0 1 0 - 0 5 - 0 6 ；修改稿收稿日期：2 0 1 0 - 0 9 - 1 3 基金项目：国家自然科学基金项目( 6 1 0 7 4 0 5 3 ) 万方数据 中国造船 学术论文 以专家的控制经验( 控制规则) 为基础，对实际情况进行控制，故基于模糊控制的系统具有较好的动 态性能【3 1 。本文设计了两个模糊控制器用以代替传统A F P 中的P I 调节器，并将之应用到电力推进船 舶中。仿真结果显示：本文提出的基于模糊策略的A P F 具有更好的谐波抑制性能。 1并联型A P F 的基本原理 并联型A P F 的工作原理图如图1 所示所示。首先检测出谐波电流厶分量作为补偿电流指令e ，由 电力变换电路产生并向电力系统中注入与大小相等、方向相反的补偿电流f c ；于是，交流电源侧的 电流仅含有基波分量0 ，从而达到谐波补偿的目的。该并联型A P F 主要有三个组成部分：( 1 ) 谐波 电流检测环节，产生。( 2 ) 根据e 产生电力电子变流装置所需的P W M 信号的脉冲发生环节。( 3 ) 电力电子变流装置中直流侧电压控制环节。 图1并联型有源电力滤波器A P F 的基本原理图 2 基于模糊控制的有源电力滤波器 2 1 谐波电流检测 有源滤波技术中最重要的环节就是负载谐波和无功电流的检测部分，目前已有的方法很多，如： 傅立叶变换法、小波变换法、基于瞬时无功理论的坐标变换法、广义d - q 坐标变换法等【6 】，本文采用的 是基于瞬时无功理论的坐标变换法，如图2 所示。 假设三相电路中的电压和电流的瞬时值分别为i 。、毛、t 和甜。、甜。，由于船舶电力系统多 为三相三线制系统，故：f 。_ _ f 。= 0 、甜。_ 甜6 _ 材。= 0 。利用电力系统分析中常用的3 2 变换， 即：三相( a ，b ，c ) 坐标系到两相0 ，芦) 坐标系的变换，f 矿稿甜矿掰卢分别为电源电压和电流在a 、 坐标上的分量，则： I 口f 声r ：c 筇D 。6i c r 及B 口材，】r ：c 印匦。“。材。r 厅r l 其中c 筇2 蚓o L 一0 5 0 5 一 1 4 3 2 - , 5 2 1 万方数据 5 2 卷第1 期( 总第1 9 4 期) 赵红，等：模糊控制有源电力滤波器在电力推进船舶中应用 图2 基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法 本文需要检测的是电流中的谐波分量，视电压分量不含谐波，从而采用虚拟的正负序电压向量替 代真实的电压向量。在a 、卢坐标系内构造虚拟单位正序电压向量F u l 和虚拟单位负序向量吒，即 rs i nC a t 只2I 堋s 鲥l ， LJ 如图2 所示，它们由一个锁相环( P h a s eL o c kL o o p ，P L L ) 和一个正余弦信号发生电路得到。 设a 、卢坐标系内电流向量用F 来表示，只= I 。i 口J 1 ，它除了基波正序电流外还存在基波负序及 谐波分量，并将瞬时有功功率P 和无功功率q 定义为： M 冗F 【列5k 。刊 则计算出的瞬时有功功率和瞬时无功功率中除了含有直流分量( 矽，虿) 外，还存在谐波分量( 芦， 虿) 。即：P = 矽_ 歹，q = 万_ 虿。所以，对弘g 进行低通滤波，则可滤除其中的谐波分量，得 到瞬时有功功率和瞬时无功功率中的直流分量j l i 和虿。 利用下式可以求出其中代表基波电流的分量( 用下标厂表示) ： 毫玎阡去匕 卜1 一”a J L gJ 再利用反变换，即可得基波分量： I 矿i 可f 矿】r = c 易I 矿i p 】r 于是谐波分量( 用下标h 表示) 为： 【口J li 拍，曲r = f 。i 6f fJ r 一 i a fi 6 ，f 矿r 2 2A P F 中模糊控制器的设计 模糊控制把人类语言表述的控制模式通过模糊集合和模糊逻辑推理去实现。由于模糊控制是不依 赖或不完全依赖过程的数学模型，是以专家的控制经验( 控制规则) 为基础，对实际情况进行控制； 故基于模糊控制的系统具有较好的动态性能，近几年来在各种控制系统中得到了广泛应用 7 1 。本文设 计了两个模糊控制器，其中模糊控制器1 用在电流跟踪控制环节，模糊控制器2 用在直流侧电压控制 环节。 1J 耐耐 m 傩 S C 。L = 2E 万方数据 中国造船学术论文 图3电流跟踪控制环节中的模糊控制器 口 丐 2 2 1 电流跟踪控制环节中模糊控制器的设计 电流跟踪控制一般采用瞬时值比较法( 即：将补偿电流的指令信号C 和实际的补偿电流信号进 行比较，利用二者的偏差信号产生控制图l 中电力变换主电路开关通断的P W M 信号) ，通常有两 种方法：滞环比较法和三角波比较法。滞环比较法就是将t 作为滞环比较器的输入，滞环比较器的 输出作为所需的P W M 信号，以实现对补偿电流的控制【8 】。三角波比较法是将作为P I 调节器的输 入，P I 调节器的输出作为参考信号并与三角载波进行比较，从而得到所需的P W M 信掣9 1 。本文设计 了一个二维模糊控制器用以取代文献【9 】中采用的P I 调节器，其结构框图如图3 所示。该模糊控制器的 ，| A i 两个输入分别是及其一阶微分兰，采用单点模糊化法对输入的清晰量进行模糊化处理，每个输 。df 入都取( 负) 、Z ( 零) 、P ( 正) 三个模糊子集，并采用高斯型隶属函数，模糊控制器的输出取舰 ( 负大) ，N S ( 负小) 、Z ( 零) 、P S ( 正小) 、咒( 正大) 五个模糊子集，其隶属函数采用三角型和梯 形隶属度函数相结合的方式。模糊推理采用M a m d a n i 的M a x m i n 推理原则，去模糊化采用重心法，其 模糊控制规则表如表l 所示。 表1 用于模糊控制器l 的控制规则表 2 2 2 直流侧电压控制环节中模糊控制器的设计 在控制A P F 补偿电流的过程中，线路阻抗X 和开关损耗的影响以及负载电流变化引起的系统中有 功功率需求的变化，都会导致直流侧电容电压的波动，影响对谐波电流的补偿效剁1 0 】；因此，在控制 补偿电流的同时，亦要控制直流侧电容C 上的电压，使其基本保持不变。 图4 直流侧电压控制环节中模糊控制器 万方数据 5 2 卷第1 期( 总第1 9 4 期)赵红，等：模糊控制有源电力滤波器在电力推进船舶中应用 如图4 所示，模糊控制器2 是一个二维的模糊控制器，其输入分别是：给定的参考电压与实际 r l A 矿 的参考电压之差值咋，以及其一阶微分= 之工。采用单点模糊化法对输入的清晰量进行模糊化处 d f 理，模糊控制器的输出作为一个偏差信号，与谐波检测环节中计算出的参考电流的有功电流分量进行 叠加，从而控制P W M 信号。模糊控制器的输入和输出都取N L ( 负大) ，N M ( 负中) ，N S ( 负小) ，Z ( 零) ，P S ( 正小) ，P M ( 正中) ，P L ( 正大) 七个模糊子集，其隶属函数采用三角型和梯形隶属度函 数椎结合的方式。模糊推理采用M a m d a n i 的M a x - r a i n 推理原则，去模糊化采用重心法，其模糊控制规 则表如表2 所示。 表2 用于模糊控制器2 的控制规则表 3M A T L A B S M ，I N K 环境下搭建的仿真模型及仿真结果 3 1 M A T L A B S I M U L I N K 环境下搭建的仿真模型 为了检验本文提出的基于模糊控制的A P F 的谐波抑制能力，在M A T L A B S I M U L 聃 环境下搭建 了一个完整的、简化的电力推进船舶电力系统仿真模型( 如图5 所示) 。该电力系统主要由同步发电机 ( 及其励磁系统) 、基于P I 调节器及模糊控制器的有源电力滤波器、变压器、整流器、逆变器、阻性 负载、船桨模型和推进电机等环节组成。 3 2 仿真结果 仿真模型稳态运行后得到的仿真结果如图伊图8 所示。其中，图6 是采用基于常规P I 控制A P F 所得到的负载电流( i O 、谐波补偿电流( 无) 和补偿后电网电流( 0 ) 的仿真波形，各电流单位为安 培( A ) ；图7 是采用基于模糊控制A P F 在同样系统结构与参数下所得到的上述三个电流的仿真波形。 由图6 和图7 可见，两种不同的控制方法都使电网电流得到了很大的改善，使电网电流基本趋于正弦 波。图8 ( a ) 给出了未施加A P F 时电网电流的频谱分析，图8 ( b ) 为经过基于P I 调节器的A P F 进行 谐波补偿后电网电流的频谱分析；图8 ( c ) 为采用基于模糊控制的A P F 进行谐波补偿后电网电流的频 谱分析。 万方数据 中国造船学术论文 q P m v d B W C 匪Y f ：叫r I I r _ 叫 l 卜叫Y q I l 1 0 0 鼍 。 一1 0 0 1 0 0 罨 o - 1 0 0 1 0 0 善 。 - 1 0 0 吐 ， i L 同+ 口a 口J 舶一并t 俣坐 r 7 I 三芒J 冗l 、【 同I 17L B a V 如L p b I b c v 赴 1 T m “l + “ C c L 。8 a i I - - _ J 7 H b B毫 l _ C cb_ I Pr o f 晕山冀 ，I J 1 Cc I 矿| _ Il - _ h - I U 如I M d b4 阳曾bl L一1 - 何日! ： I a n t _ ) l _ n 函删l B 、 厂 I 一； 、 C 、I弓孽 I 4 。 ? 吲芑? 口U L ： m I 一 r II U 一口U 3 7 苦娑搿；要备L r m 吧! j 口 P P F 1r1r 一 一 + 磊吞筠罨努辇裂 一 一 一 怒 l 一 一一 器拍 - - 一 、l - L b 珐_ 日口皇L L ，I 矗j 口：譬 一 c DI f l 3 r 1 口t ，l U m 叩P U l + 。I 一 一 一l 谐波补偿电流C 的 !：! I 补偿后电网电流 飞念妻仓：1 负载电流n ) 谐波补偿电流执) 主 补偿后电网电流限) ：| 今。捻： 斧 0 4 24 4 4 6 f0 3 3 仿真结果分析 由图8 所示的谐波频谱分析结果可见：图8 ( a ) 显示了补偿前电网电流的5 、7 、1 1 次谐波严重， 电流总谐波畸变达到；图( b ) 显示了当采用基于P I 控制的进行谐波补偿后， 电网电流减小到6 ；而 及我国船级社对谐波总畸变的标准为5 以下，因此未能符 合要求。图8 ( c ) 显示了采用本文基于模糊控制补偿后，电网电流减小到2 ，符合 万方数据 5 2 卷第l 期( 总第1 9 4 期)赵红，等：模糊控制有源电力滤波器在电力推进船舶中应用 1 9 9 5 1 9 及我国船级社对谐波总畸变的标准要求。图8 中的纵坐标P 为谐波相对基波的幅值百分比。 T 加= 2 7 2 1 I- 伸， ( a ) 补偿前电网电流 4 结语 承 瓷 T 加：6 0 B I- 一一一一 y e a t ( b ) 基于P I 控制A P F 补偿后 的电网电流 图8 电网电流频谱分析 ( c ) 基于F u z z y 控制的A P F 补偿后的电网电流 本文提出了一种基于模糊控制的有源电力滤波器，并将其应用到电力推进船舶的电力系统中。其 中，谐波检测采用基于瞬时无功理论的坐标变换法，电流跟踪环节和直流侧电压控制环节分别采用模 糊控制器替代传统的P I 调节器。仿真结果表明：采用模糊控制A P F 时，滤波效果大幅度提高，符合 I E E E5 1 9 及我国船级社对船舶电网谐波总畸变的标准要求；因此，基于模糊控制的船舶有源电力滤波 器更适用于时变、非线性的船舶电力推进系统。 参考文献 【l 】A K A G IH N e wT r e n d s i nA c t i v eF i l t e r sf o rP o w e rC o n d i t i o n i n g I E E ET r a mO i lI n d u s t r yA p p l i c a t i o n s ，1 9 9 0 ， 3 2 ：1 3 1 2 1 3 2 2 【2 】A K A G IH C o n t r o lS t r a t e g ya n dS i t eS e l e c t i o no f AS h u n tA c t i v eF i l t e rf o rD a m p i n go fH a r m o n i cP r o p a g a t i o ni nP o w e r D i s l r i b u t i o i ls y s t e m s I E E ET r a n s a c t i o no i lP o w e rD e l i v e r y , 1 9 9 7 ，1 2 ：3 5 4 - 3 6 3 【3 】H A M A D IA ，E l H A D D A DK R A H M A N ISa n dK A N K A NH C o m p a r i o no fF u z z yL o g i ca n dP r o p o r t i o n a lI n t e g r a l C o n t r o l l e ro fV o l t a g eS o u r c eA c t i v eF i l t e rC o m p e n s a t i n gC u r r e n tH a r m o n i c sa n dP o w e rF a c t o r I E E EI n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c eO nI n d u s t r i a lT e c h n o l o g y ( I C I T ) ，2 0 0 4 ，6 4 5 - 6 5 0 【4 】D e l l A Q t n L AA ，D E L V I N OG ，L I S E R R EM ，Z A N C H E T A Z Z ZPA N e wF u z z yL o g i cS t r a t e g yf o rA c t i v eP o w e rF i l t e r P o w e rE l e c t r o n i c sa n dV a r i a b l es p e e dD r i v e s ，2 0 0 0 ，3 9 2 - 3 9 7 【5 】A B D E L C I I I A H A BB ，F A T E HKa n dJ E A N - P A U LG D e s i g na n dI m p l e m e n t a t i o no fU g hP e r f o r m a n c eD i r e c tP o w e r C o n t r o lo fT h r e e - p h a s eP W M R e c t i f i e r , v i aF u z z ya n dP IC o n t r o l l e rf o rO u t p u tV o l t a g eR e g u l a t i o n 闭E n e r g yC o n v e r s i o n a n dM a n a g e m e n t ，2 0 0 9 ，5 0 ：6 1 3 【6 】姜齐荣，赵东元，陈建业有源电力滤波器一结构原理控制【 q 北京：科学出版社，2 0 0 5 1 0 【7 】张德丰M A T L A B 模糊系统设计f M 】一匕京：国防工业出版社2 0 0 9 4 【8 】武孝东并联型有源电力滤波器的 L 控制与模糊控制研究【D 】哈尔滨工业大学硕士论文，2 0 0 7 7 【9 】9李达义，陈乔夫三角波比较电流控制研究【J 】通信电源技术2 0 0 6 ( 7 ) ：1 - 9 f 1 0 】汤赐，罗安，刘秋英，余力新型注入式混合有源电力滤器直流侧电压稳定的研究忉2 0 0 7 ( 9 ) ：2 - 4 万方数据 中国造船学术论文 【1 l 】李楠现代船舶电力推进系统的发展川中国水运，2 0 0 9 ( 1 ) ：1 - 2 1 2 】郑华耀主编船舶电气设备及系统 q 大连：大连海事大学出版社，2 0 0 5 7 【1 3 】沈雄，褚建兴主编船舶电气M 北京：人民交通出版社，2 0 0 0 6 R e s e a r c ho nF u z z yL o g i cC o n t r o l b a s e dA c t i v eP o w e rF i l t e r s A p p l i e di nE l e c t r i cP r o p u l s i o nS h i p s Z H A OH o n g ，G U OC h e n ，Y A OY u b i n ( M a r i n eE n g i n e e r i n g ，D a l i a nM a r i t i m eU n i v e r s i t y , D a l i a n11 6 0 2 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t I n t h es h i p sw i t he l e c t r i cp r o p u l s i o n ，d u et ot h ew i d eu s eo fp o w e re l e c t r o n i cs w i t c h i n gd e v i c e si n v a r i a b l ef r e q u e n c ys p e e d - r e g u l a t i n ge q u i p m e n t sd e s i g n e df o rd r i v i l 培m o t o r s ，al a r g en u m b e ro fh a r m o n i c sa l e p r o d u c e di nt h es h i pp o w e rs y s t e m sa n dt h eu s u a ls o l u t i o ni st oi m p o s ed e v i c e sw i t hp a s s i v eL Cf i l t e r s I n r e c e n ty e a r s a c t i v ep o w e rf i l t e r s ( A P F s ) w h i c hc a l lo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fp a s s i v eL Cf i l t e r sh a v e b e e nd e v e l o p e dr a p i d l y A p p l i c a t i o no fs h u n tA P F si nt h ep o w e rs y s t e mo fe l e c t r i cp r o p u l s i o ns h i pi s p r e s e n t e d ，a n df u z z yc o n t r o ls t r a t e g i e sa l ea p p l i e di nb o t ha c t i v ef i l t e rc u r r e n tc o n t r o la n dD Cl i n kv o l t a g e c o n t r 0 1 n es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z y - c o n t r o l l e dA P Fh a sb e t t e rh a r m o n i cs u p p r e s s i o n p e r f o r m a n c ei nc o m p a l i s o nw i t hc o n v e n t i o n a ls h u n tA P F s K e yw o r d s ：A P F ；e l e c t r i cp r o p u l s i o ns h i p s ；f u z z yc o n t r o l ；M A T A L Bs i m u l a t i o n 作者简介 赵红女，1 9 6 7 钲牛。教授、硕士生导师。从事电力推进船舶控制与系统仿真、智能控制珲论与应用研究。 郭晨男，1 9 5 6 年生，教授、博士生导师。从事船舶自动控制、船舶轮机系统仿真、智能控制理论与应用研究。 姚玉斌男，1 9 6 5 年生，副教授、硕士生导师。从事电力系统分析和控制的研究。 万方数据 模糊控制有源电力滤波器在电力推进船舶中应用模糊控制有源电力滤波器在电力推进船舶中应用 作者：赵红， 郭晨， 姚玉斌， ZHAO Hong， GUO Chen， YAO Yubin 作者单位：赵红,姚玉斌,ZHAO Hong,YAO Yubin(大连海事大学轮机工程学院,大连,116026)， 郭晨,GUO Chen(大连海事大学信息科学技术学院,大连,116026) 刊名： 中国造船 英文刊名：SHIPBUILDING OF CHINA 年，卷(期)：2011,52(1) 本文链接：http:/