應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變流器波形復(fù)合控制策略

作者簡介：戴瑜興（1956-），男，湖南瀏陽人，湖南大學(xué)教授，溫州大學(xué)教授

摘要：針對(duì)港口現(xiàn)有岸電電源產(chǎn)品所采用控制策略的不足，研究分析了岸電電源PWM可逆變流器數(shù)學(xué)模型在DQ坐標(biāo)系下的特點(diǎn)，提出了一種基于改進(jìn)的重復(fù)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂频淖兞髌鬏敵霾ㄐ螐?fù)合控制策略采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為內(nèi)?？刂破鞯念A(yù)估模型和控制器，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估模型可在線學(xué)習(xí)建立與被控對(duì)象相匹配的精確模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，輸出無靜差，擾抗性好實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用該復(fù)合控制策略的系統(tǒng)整流功率因數(shù)接近于1；供電非線性混合負(fù)載輸出波形失真率低于2%；動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，在2個(gè)周期內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定輸出

關(guān)鍵詞：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；可逆變流器；波形復(fù)合控制；重復(fù)控制

中圖分類號(hào)：TM9215文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

岸電電源是供電停港船舶的港口岸上電源，可代替停港船舶的主輔燃油發(fā)電機(jī)供電，是控制港區(qū)空氣質(zhì)量日益惡化的重要方式PWM可逆變流器是岸電電站的核心研究對(duì)象，與傳統(tǒng)變流技術(shù)相比，具有高功率因素和低諧波污染的優(yōu)點(diǎn)，在岸電電源、UPS、軍用設(shè)備、太陽能和風(fēng)能等清潔能源使用中得到廣泛的應(yīng)用

港口現(xiàn)有岸電變流器多使用PID控制、內(nèi)?？刂?、無差拍控制和重復(fù)控制等方式，無法同時(shí)滿足大功率、強(qiáng)沖擊、高穩(wěn)定的供電需求而未得到廣泛使用PID控制雖魯棒性較強(qiáng)，但在非線性負(fù)載、噪聲或擾動(dòng)影響下，設(shè)定的控制參數(shù)無法得到穩(wěn)定和精確的控制效果內(nèi)模控制雖參數(shù)簡明，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好并有較強(qiáng)的魯棒性和抗干擾性，但難于建立精準(zhǔn)模型無差拍控制靜態(tài)輸出穩(wěn)定及動(dòng)態(tài)反應(yīng)較快，但易出現(xiàn)較強(qiáng)振蕩，魯棒性較差重復(fù)控制較大改進(jìn)了電源變流器的穩(wěn)定輸出，但因有一個(gè)周期的控制延遲影響了動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果神經(jīng)內(nèi)模控制在有精確模型的基礎(chǔ)上可確保系統(tǒng)有很好的魯棒性和動(dòng)態(tài)性能，但因其需要在線訓(xùn)練學(xué)習(xí)才能獲得精確模型，致使算法還未獲得大量應(yīng)用[2-6]目前，各種輸出高精穩(wěn)定且抗擾性強(qiáng)的智能控制策略成為高性能變流器的研究熱點(diǎn)

針對(duì)兩電平三相PWM可逆變流器在DQ坐標(biāo)系下的特點(diǎn)，本文利用改進(jìn)的重復(fù)控制策略與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂撇呗韵嘟Y(jié)合，設(shè)計(jì)了變流器輸出波形復(fù)合控制器，并通過實(shí)驗(yàn)測試了該控制策略性能

1變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及模型解耦

兩電平三相PWM可逆變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示該結(jié)構(gòu)共分為網(wǎng)側(cè)濾波單元、電壓型PWM整流單元、直流儲(chǔ)能單元、電壓型PWM逆變單元與負(fù)載側(cè)濾波單元等5個(gè)部分

2重復(fù)控制單元控制器設(shè)計(jì)

重復(fù)控制理論是建立在內(nèi)?？刂频幕A(chǔ)上，其核心在于內(nèi)部模型設(shè)計(jì)在常用重復(fù)控制策略模型應(yīng)用中普遍存在兩個(gè)方面不足一是由于延時(shí)單元的存在，使得系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能較差，對(duì)擾動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)間超過了一個(gè)周期二是因?yàn)V波器Q（z）的使用，使得系統(tǒng)增強(qiáng)穩(wěn)定性的同時(shí)存在了靜差

濾波單元時(shí)，系統(tǒng)理論上可以實(shí)現(xiàn)無靜差，但是這種純積分控制結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)穩(wěn)定性和魯棒性變得很差，在工程實(shí)際應(yīng)用中是被禁止的因此為改善系統(tǒng)穩(wěn)定性，一般使輔助補(bǔ)償器Q（z）為低通濾波形式或者為略小于1的常數(shù)，如095

延時(shí)單元是內(nèi)模組成部分，當(dāng)控制信號(hào)檢測到誤差信息時(shí)使延時(shí)至下一個(gè)周期動(dòng)作的存在雖然影響了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能卻是重復(fù)控制內(nèi)模的固有組成部分，不能舍棄因指令和擾動(dòng)在很多情形下都重復(fù)出現(xiàn)，如圖2所示，經(jīng)改進(jìn)的嵌入式結(jié)構(gòu)使系統(tǒng)保留了指令信號(hào)的快速響應(yīng)通道

補(bǔ)償器將獲得的系統(tǒng)補(bǔ)償量在下一周期作用于控制對(duì)象校正輸出取，該設(shè)計(jì)可保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性并改善修正效果，超強(qiáng)補(bǔ)償相位幅值其中為重復(fù)控制幅值增益補(bǔ)償；為相位補(bǔ)償；S（z）起濾波作用消除諧振峰值、校正中低頻增益并增強(qiáng)高頻衰減特性的存在雖然使的相位補(bǔ)償相對(duì)滯后，卻增強(qiáng)了系統(tǒng)的高頻抗干擾能力和系統(tǒng)穩(wěn)定性

3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂茊卧O(shè)計(jì)

神經(jīng)內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)如圖3所示，分別用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器NNC（neural network controller）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估模型NNM（neural network model）取代內(nèi)?？刂平Y(jié)構(gòu)中的被控對(duì)象預(yù)估模型和內(nèi)?？刂破饔蓛?nèi)模原理可知，只要NNM和NNC穩(wěn)定則系統(tǒng)穩(wěn)定，即當(dāng)NNC為NNM的逆時(shí)，系統(tǒng)誤差

32神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器NNC設(shè)計(jì)

根據(jù)內(nèi)模原理穩(wěn)定性充分條件，控制器NNC設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)應(yīng)是預(yù)估模型NNM結(jié)構(gòu)的逆，故NNC應(yīng)采用與NNM同樣的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由圖4知，NNC結(jié)構(gòu)比NNM多一個(gè)輸入層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

4復(fù)合控制器設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

復(fù)合控制器結(jié)構(gòu)框圖設(shè)計(jì)如圖5所示通過改進(jìn)的重復(fù)控制單元和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模控制單元共同作用于可逆變流器中電流輸入和電壓輸出該控制方案中，重復(fù)控制單元通過改進(jìn)可保證在穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出高精度的穩(wěn)態(tài)波形，能夠適用于船舶各精密儀器用電需求，但一旦有給定指令，重復(fù)控制器需延時(shí)至下一個(gè)周期作用被控制對(duì)象神經(jīng)內(nèi)?？刂茊卧刂茻o靜差，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，在重復(fù)控制的延時(shí)周期能快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)指令，很好的填補(bǔ)了重復(fù)控制單元的不足，但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模控制單元中NNM預(yù)估模型需要在線訓(xùn)練學(xué)習(xí)才能獲得精確模型因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂婆c重復(fù)控制單元綜合的波形復(fù)合控制器使系統(tǒng)的負(fù)載適應(yīng)性和魯棒性得到增強(qiáng)，強(qiáng)有效地改善了可逆變流器的輸出波形

搭建如圖6所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證該波形復(fù)合控制策略，以TI公司生產(chǎn)的時(shí)鐘頻率達(dá)150 MHz的TMS320F28335為DSP控制芯片，輔以各采樣電路、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路等用泰克TDS3032示波器和電能質(zhì)量分析儀Fluke43B做為測試工具，采用表1中參數(shù)驗(yàn)證可逆變流器波形復(fù)合控制器的實(shí)際控制效果

41穩(wěn)態(tài)性能

通過搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分別測試PWM整流器和PWM逆變器穩(wěn)態(tài)性能圖7（a）為電能質(zhì)量分析儀對(duì)PWM整流器穩(wěn)態(tài)時(shí)輸入A相的功率因數(shù)測試結(jié)果，表明整流網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高達(dá)099圖7（b）為PWM整流器輸出直流電壓波形和A相輸入電流波形測試結(jié)果表明輸出電壓穩(wěn)定在600 V±2%，A相波形失真率為19%可見PWM整流器功率因數(shù)高，對(duì)電網(wǎng)無諧波污染

42動(dòng)態(tài)響應(yīng)

采用負(fù)載突然增加或減少來驗(yàn)證該復(fù)合控制器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能圖10為變流器負(fù)載突變時(shí)PWM逆變器波形測試結(jié)果由輸出波形可知變流器均在負(fù)載突變的第一個(gè)周期迅速響應(yīng)，在兩個(gè)周期內(nèi)輸出均穩(wěn)定下來，證明采用復(fù)合控制器的變流器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能

圖11為采用復(fù)合控制與采用PI控制PWM逆變器動(dòng)態(tài)輸出波形比較測試結(jié)果，顯示突加負(fù)載時(shí)采用復(fù)合控制的輸出波形在突變周期的頂部稍有失真，隨后沒有明顯的變化采用PI控制的輸出波形則有嚴(yán)重的失真，隨后波形有幅值變化顯然采用復(fù)合控制的波形明顯好于PI控制波形

43魯棒性和擾抗性

通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)PWM整流部分輸出的直流電壓大小，測試PWM逆變部分輸出電壓的波動(dòng)大小，分析該系統(tǒng)的魯棒性和擾抗性測試數(shù)據(jù)如表2所示，逆變部分在直流母線波動(dòng)的狀況下，輸出始終穩(wěn)定其中相電壓誤差始終穩(wěn)定在2%以內(nèi)，THD值在18%以內(nèi)，輸出頻率穩(wěn)定

5結(jié)語

分析了港口現(xiàn)有岸電電源產(chǎn)品所采用控制策略的不足，研究了岸電電源中PWM可逆變流器的數(shù)學(xué)模型在DQ坐標(biāo)系下的特點(diǎn)，提出了一種基于改進(jìn)的重復(fù)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂频牟ㄐ螐?fù)合控制策略，該策略能夠很好的綜合兩種控制策略的優(yōu)勢，互補(bǔ)不足通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證該控制策略，實(shí)驗(yàn)證明，應(yīng)用該復(fù)合控制策略的PWM可逆變流器波形輸出穩(wěn)定，精度高，THD值低，負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，符合船級(jí)社的船舶用電標(biāo)準(zhǔn)，可以在岸電電源應(yīng)用中推廣使用

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