基于粒子群與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光伏逆變器設(shè)計(jì)

張玉 周睿 張烈平

關(guān)鍵詞： 粒子群優(yōu)化; 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò); 光伏逆變器; 算法; 逆模型; 諧波含量

中圖分類(lèi)號(hào)： TN711?34; TM615 ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2019）02?0085?04

Design of photovoltaic inverter based on particle swarm optimization and neural network

ZHANG Yu1，2， ZHOU Rui1， ZHANG Lieping1，2

（1. School of Mechanical and Control Engineering， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China;

2. Guangxi Key Laboratory of Building New Energy and Energy Saving， Guilin University of Technology， Guilin 541004， China）

Abstract： The PI control has the advantages of simple structure， good robustness and high reliability， but its parameter setting is difficult， and it is unable to track the system changes well in the complex nonlinear condition of the photovoltaic power generation system. In allusion to the above problems， an inverter model is established and analyzed， and on this basis， an inverter control algorithm based on the combination of particle swarm optimization and neural network is proposed. The off?line optimization is conducted for the system， taking the absolute error and the total harmonic aberration rate as constraint conditions， so as to obtain the samples of optimal PI parameters. The samples are trained by using the neural network to obtain the inverse model of the system. The changing load is compensated to make the output better follow the system changes. The results of system simulation and experiment show that the method can effectively improve the dynamic response speed of the photovoltaic inverter and reduce the harmonic content of the output voltage.

Keywords： particle swarm optimization; neural network; photovoltaic inverter; algorithm; inverse model; harmonic content

正弦波交流逆變電源是光伏并網(wǎng)、交流調(diào)速等電力電子設(shè)備的核心裝置，其對(duì)逆變器的交流側(cè)輸出波形都有較高要求[1]。如并網(wǎng)時(shí)，要求逆變器輸出波形總畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）限值5%，功率因數(shù)不小于0.95（超前或滯后），這需要逆變器具有較強(qiáng)的抗擾能力以及較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[2]。為得到高質(zhì)量的輸出電壓和較好的功率因數(shù)，光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器一般采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略，決定雙閉環(huán)控制效果的關(guān)鍵是其PI參數(shù)的確定。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是在確定外環(huán)與內(nèi)環(huán)參數(shù)時(shí)，需要綜合考慮它們相互之間的影響[3]。

傳統(tǒng)的雙閉環(huán)控制方法為達(dá)到較好的效果，需建立精確的系統(tǒng)模型，通過(guò)湊試法等確定較為合適的PI參數(shù)[4]。但由于光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)發(fā)生負(fù)載變化或直流側(cè)電壓突變，系統(tǒng)矩陣、閉環(huán)特征值及動(dòng)態(tài)響應(yīng)均會(huì)發(fā)生改變，造成參數(shù)難以適合變化后的系統(tǒng)。尤其針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的非線性特性，其建模過(guò)程復(fù)雜，參數(shù)湊試?yán)щy，難以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整[5]。針對(duì)上述問(wèn)題，提出了一種基于粒子群與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的逆變器控制算法。PSO算法只需選擇一個(gè)合適的評(píng)價(jià)函數(shù)，即可找到當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)下的最優(yōu)參數(shù)值，算法簡(jiǎn)單。由于雙閉環(huán)PI控制策略一旦設(shè)定好參數(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)就很難根據(jù)變化的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)更改，無(wú)法快速跟隨系統(tǒng)[6]。所以將變化的負(fù)載視為擾動(dòng)項(xiàng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)擬合，建立系統(tǒng)逆模型，進(jìn)而可以在控制器處進(jìn)行補(bǔ)償，用以抵消負(fù)載變化引起的擾動(dòng)，從而使輸出能較快地跟隨系統(tǒng)變化。

1 ?逆變器主電路模型

逆變器主電路如圖1所示，模型參數(shù)如表1所示。系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制策略，外環(huán)為基于PI控制設(shè)計(jì)的電壓環(huán)，[Gi（s）]為控制器，內(nèi)環(huán)為系數(shù)是H的電容電流反饋，對(duì)于電壓型逆變器而言，其首要目標(biāo)是控制輸出電壓[uo（s）]，使其符合理想輸出波形。其中KPWM為脈寬調(diào)制比例系數(shù)，[ZR]為負(fù)載的阻抗，L，C為濾波電感與濾波電容，它們構(gòu)成濾波器，由圖1可以得到單相逆變器的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

對(duì)圖2進(jìn)行等效變換，并進(jìn)行化簡(jiǎn)，可以得到傳遞函數(shù)：

[Gs=uo（s）u*o（s）=Gi（s）KPWMCsC2Ls3+LZRs+HsCKPWM+GisKPWMCs+1] （1）

式中，系統(tǒng)會(huì)因負(fù)載阻抗[ZR]的變化而變化，若要使系統(tǒng)達(dá)到較好的控制效果，需要根據(jù)阻抗來(lái)調(diào)整控制器[Gi（s）]。使用PI控制器，一旦PI參數(shù)確定，便無(wú)法修改，而實(shí)際應(yīng)用中，負(fù)載經(jīng)常會(huì)因電力設(shè)備的接入或斷開(kāi)而發(fā)生變化，傳統(tǒng)的PI控制器不能根據(jù)負(fù)載變化而做出相應(yīng)調(diào)整，故控制效果不算理想。

2 ?粒子群與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的設(shè)計(jì)

通過(guò)對(duì)上述模型分析，可知，能否得到高質(zhì)量的電壓輸出，關(guān)鍵是PI參數(shù)的整定，和對(duì)負(fù)載變化的控制。針對(duì)PI參數(shù)選取的問(wèn)題，采用PSO尋優(yōu)算法，對(duì)PI值進(jìn)行離線優(yōu)化;對(duì)于由負(fù)載變化引起的非線性問(wèn)題，通過(guò)對(duì)不同負(fù)載情況下系統(tǒng)的仿真，得到大量系統(tǒng)狀態(tài)的樣本，然后利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)，得到控制器到負(fù)載處的系統(tǒng)逆模型，并利用它對(duì)控制器處進(jìn)行補(bǔ)償，以此抵消負(fù)載變化的影響，從而達(dá)到較好的控制效果。

2.1 ?基于粒子群算法PI參數(shù)調(diào)整

粒子群算法又稱(chēng)為PSO算法，是一種典型的群智能算法。大量試驗(yàn)表明，PSO的優(yōu)化能力強(qiáng)于GA等進(jìn)化算法[7]。粒子群由一定數(shù)量的個(gè)體組成，個(gè)體可以在指定的空間中根據(jù)自身歷史最優(yōu)位置信息和整體最優(yōu)位置信息，調(diào)整位置與移動(dòng)速度，向更優(yōu)區(qū)域靠攏[8]。

粒子群的更新方式為：

[vijt+1=wvijt+c1r1xPijt-xijt+ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? c2r2xGgjt-xijt] （2）

式中，w為慣性權(quán)重，用于平衡局部?jī)?yōu)化和全局優(yōu)化能力。通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，Shi和Eberhart指出在[0.9，1.2]內(nèi)粒子群很容易搜索到全局最優(yōu)區(qū)域。在此前提下，w小于0.8時(shí)能快速尋優(yōu)[9];i和j分別代表第i個(gè)粒子的數(shù)量和第j維（維數(shù)代表參數(shù)數(shù)量）;t代表迭代次數(shù);xij則為粒子個(gè)體;vij為粒子更新速度;c1和c2為加速因子;r1和r2為0～1之間的隨機(jī)數(shù);[xPij]為個(gè)體最優(yōu)粒子;[xGgj]為全局最優(yōu)粒子。

粒子群離線優(yōu)化控制器參數(shù)的模型如圖3所示，PSO在每個(gè)迭代周期中，將當(dāng)前粒子代表的控制器參數(shù)輸出至逆變模型的控制器;然后得到逆變模型的輸出電壓值，通過(guò)計(jì)算，得到目標(biāo)函數(shù)的適應(yīng)值，再將其輸入回PSO中，進(jìn)行優(yōu)化。目標(biāo)函數(shù)是PSO在當(dāng)前區(qū)域?qū)?yōu)過(guò)程中的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)函數(shù)值越小，代表尋優(yōu)區(qū)域越優(yōu)。因此通常將系統(tǒng)性能指標(biāo)設(shè)為目標(biāo)函數(shù)[10]。對(duì)于本系統(tǒng)，最關(guān)鍵的性能指標(biāo)就是負(fù)載電壓誤差，但負(fù)載電壓中含有多次諧波，為保證誤差與總諧波畸變率盡可能小，將誤差的絕對(duì)值積分和總諧波畸變率作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，該公式為：

[F=a0te（t）dt+b·THD] （3）

[THD=n=2∞U2zonUzo1×100%] （4）

式中：[Uzo1]和[Uzon]分別為負(fù)載輸出電壓基波幅值和各次諧波幅值;THD反映了各次諧波所占比重之和的百分比，體現(xiàn)了交流輸出電壓諧波的含量;[a]，[b]為常系數(shù)，用來(lái)保證負(fù)載反饋電壓能很好地跟蹤指令電壓，同時(shí)還能保證該反饋電壓波形的諧波含量較少。根據(jù)表1逆變器仿真參數(shù)和圖3 PSO離線優(yōu)化模型，將[KP]的優(yōu)化區(qū)間設(shè)為[0.01，5]，[KI]的優(yōu)化區(qū)間設(shè)為[1，10 000]，電容電流反饋系數(shù)H的優(yōu)化區(qū)間設(shè)為[0，2]，通過(guò)參考部分文獻(xiàn)，并多次實(shí)驗(yàn)分析，將PSO相關(guān)參數(shù)[a]，[b]，[c1]，[c2]和[w]分別設(shè)為0.1，0.9，1.45，1.45和0.9，經(jīng)過(guò)大約20 min的優(yōu)化，得到[KP]，[KI]，[H]的參數(shù)分別為0.24，979和0.013。

2.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逆模型補(bǔ)償控制器設(shè)計(jì)

BP學(xué)習(xí)算法實(shí)質(zhì)是求取網(wǎng)絡(luò)總誤差函數(shù)的最小值問(wèn)題，具體采用“最速下降法”，按誤差函數(shù)的負(fù)梯度方向進(jìn)行權(quán)系數(shù)修正[11]。若將負(fù)載電流[iR]看作擾動(dòng)量，則在相應(yīng)位置加入同幅值的補(bǔ)償，即可抵消負(fù)載變化的影響，由于實(shí)際系統(tǒng)無(wú)法在負(fù)載處補(bǔ)償，因此將補(bǔ)償點(diǎn)前移，得到前饋控制圖，如圖4所示。

圖中：[d]為逆變橋的調(diào)制信號(hào);[iL]為電感電流，設(shè)兩者之間的關(guān)系為[iL=f（d）]，則[Gi2s=df-1（iL）];由于實(shí)際控制中采用離散變量，所以設(shè)逆變器的第k個(gè)控制周期為k，并依據(jù)對(duì)逆變器輸出電壓影響因素的分析，在該周期對(duì)參考電壓[u*o]、輸出電壓[uo]、電感電流[iL]、逆變器PWM控制信號(hào)采樣，分別記為[u*ok]，[uo（k）]，[iL（k）]，d（k）。為了更好地反映出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，將其前一周期的采樣值[u*ok-1]，[iR（k-1）]，[iL（k-1）]，[d（k-1）]，[uo（k-1）]也作為輸入，當(dāng)前周期的PWM控制信號(hào)d（k）作為輸出，構(gòu)建一個(gè)包含9個(gè)輸入和1個(gè)輸出的動(dòng)態(tài)BP網(wǎng)絡(luò)。選取隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為15。

為獲得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型的訓(xùn)練樣本，對(duì)所建立的參數(shù)如表1所示的逆變器仿真模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)逆變器運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。其中，對(duì)于負(fù)載，共選取6種不同線性和非線性負(fù)載，以[2 ?μs]為采樣周期進(jìn)行一個(gè)周波即0.02 s的樣本采集，所有情況一共得到60 000個(gè)樣本。均勻抽取其中的58 000個(gè)樣本作為逆模型訓(xùn)練樣本，剩余2 000個(gè)樣本作為逆模型精度檢驗(yàn)樣本。

對(duì)上述樣本進(jìn)行訓(xùn)練后，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其訓(xùn)練誤差如圖5所示，訓(xùn)練算法可迭代次數(shù)949次時(shí)便快速達(dá)到全局最優(yōu)，計(jì)算在檢驗(yàn)樣本上的均方差MSE，得出MSE=10-5，說(shuō)明模型具有較高的精度。部分檢驗(yàn)樣本的誤差曲線如圖6所示。

3 ?仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述控制方法下系統(tǒng)運(yùn)行效果，在Simulink中構(gòu)建了單相光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，具體逆變器主要參數(shù)見(jiàn)表1，采樣時(shí)間Ts為[2×10-6 ?s]，仿真時(shí)長(zhǎng)為0.1 s，[KP]，[KI]，[H]的參數(shù)分別為0.24，979和0.013;在t=0.05 s時(shí)，突然加入感性負(fù)載。仿真模型如圖7所示。該仿真模型與同樣參數(shù)的傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI逆變器模型進(jìn)行比較。

使用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)逆變系統(tǒng)進(jìn)行控制，仿真后的電壓、電流波形見(jiàn)圖8，誤差波形如圖9b）所示，諧波分析如圖10b）所示。

同樣條件下，傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制誤差波形如圖9a）所示，諧波分析如圖10a）所示。

由圖8和圖9可知，在帶固定電阻性負(fù)載情況的0～0.05 s時(shí)間段，常規(guī)PI控制方法的逆變器輸出電壓波形和電流波形與基于PSO和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PI自整定逆變器均可以較好地跟隨參考電壓的幅值、相位，并且保證了電流與電壓的頻率、相位一致。從圖9可以看出，在T=0.05 s時(shí)突然加入負(fù)載后，逆變器輸出受到一定影響，發(fā)生了細(xì)微波動(dòng)，但迅速回到穩(wěn)態(tài)。將圖9a）和圖9b）進(jìn)行比較可以明顯看出，基于PSO和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PI控制與傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制相比，前者穩(wěn)態(tài)誤差在±1.5 V內(nèi)波動(dòng)，在突加負(fù)載時(shí)，產(chǎn)生的擾動(dòng)明顯較小;同樣PI參數(shù)的后者穩(wěn)態(tài)誤差在±4 V內(nèi)波動(dòng)，且在突加負(fù)載后，產(chǎn)生了高達(dá)6 V的波動(dòng)。通過(guò)圖10a）和圖10b）的比較可以看出，前者的諧波含量小于后者。

4 ?結(jié) ?論

本文提出基于PSO優(yōu)化PI控制器參數(shù)并使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立逆模型進(jìn)行補(bǔ)償?shù)墓夥⒕W(wǎng)逆變器設(shè)計(jì)方法，可自動(dòng)尋找PI控制器最佳參數(shù)。通過(guò)分析逆變器模型影響輸出電壓的主要因素，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了系統(tǒng)的逆模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型對(duì)控制器進(jìn)行補(bǔ)償，減小負(fù)載變化對(duì)系統(tǒng)造成的影響。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以有效地提高光伏逆變器的抗負(fù)載擾動(dòng)能力，從而降低輸出電壓的諧波含量。本文的下一步工作是考慮在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行逆模型的在線訓(xùn)練與更新，從而對(duì)更多情況下的系統(tǒng)進(jìn)行較好的適應(yīng)。

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