基于NARMA-L2的岸電并網(wǎng)電壓控制策略研究

喬 森，楊奕飛，2

(1. 江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003；2.江蘇科技大學(xué)海洋裝備研究院，江蘇鎮(zhèn)江 212003)

1 引言

對港口城市來說，靠港船舶輔機燃油發(fā)電所產(chǎn)生的環(huán)境污染日漸嚴重，空氣污染防治問題日漸嚴峻，而靠港船舶采用岸上電能替代燃油輔機發(fā)電成為了一種行之有效的解決方案[1-2]。隨著國家對節(jié)能環(huán)保的重視，尤其是船舶岸電所體現(xiàn)出來的社會效益，交通運輸部于2017年發(fā)布《港口岸電布局建設(shè)方案(征求意見稿)》，標(biāo)志著船舶岸電在未來五到十年內(nèi)會出現(xiàn)井噴式發(fā)展，船舶靠港使用岸電已成為航運業(yè)的重要發(fā)展趨勢，船舶岸電系統(tǒng)的國內(nèi)外市場需求將日益增長。

岸側(cè)電源經(jīng)過變壓和變頻轉(zhuǎn)換至適合船舶電網(wǎng)的電壓和頻率，但是并網(wǎng)和負載變化時刻電壓會產(chǎn)生波動。而岸電控制策略是決定船舶電網(wǎng)的運行是否穩(wěn)定的決定性因素，可使逆變器在并網(wǎng)操作時采用PQ控制以調(diào)節(jié)有功功率和無功功率，在系統(tǒng)孤島運行時采用V/F控制以確保系統(tǒng)保持穩(wěn)定的電壓和頻率[3-4]。但是傳統(tǒng)的V/F控制本質(zhì)上仍是經(jīng)典PID控制，因為系統(tǒng)輸出存在一定的慣性，這種直接取目標(biāo)和輸出之間誤差的方式，會對并網(wǎng)和負載變化時刻系統(tǒng)的控制精度、穩(wěn)定時間等產(chǎn)生不利影響，因此引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制思想對傳統(tǒng)V/F控制進行優(yōu)化。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)控制器不同于傳統(tǒng)的控制器，具有不需要建立復(fù)雜、精確的數(shù)學(xué)模型，可以根據(jù)外部環(huán)境對于控制器參數(shù)進行自動調(diào)整等優(yōu)點[5]。本文在傳統(tǒng)V/F控制中引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)具有更強的抗干擾性，同時具有更好的動態(tài)特性、穩(wěn)態(tài)特性，有效提升岸電并網(wǎng)系統(tǒng)的控制精度，使得船舶電網(wǎng)的電壓更為穩(wěn)定。

2 V/F岸電并網(wǎng)控制模型

2.1 船舶岸電并網(wǎng)控制過程

當(dāng)船舶靠港后，岸側(cè)檢測船舶電網(wǎng)電壓、頻率、幅值和相位，經(jīng)過預(yù)同步控制調(diào)節(jié)岸側(cè)電逆變器所產(chǎn)生的電壓、頻率、幅值，使其與船舶電網(wǎng)保持一致，由船側(cè)調(diào)整發(fā)電機轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)相位使之與岸側(cè)一致，符合并網(wǎng)條件后合閘并網(wǎng)。合閘后調(diào)節(jié)船岸輸出功率，負載由船用柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)移至岸側(cè)電源，負載轉(zhuǎn)移完成后，停止使用船用柴油發(fā)電機，斷開柴油發(fā)電機側(cè)開關(guān)，岸電并網(wǎng)完成。

2.2 V/F并網(wǎng)控制模型

V/F控制模型通過逆變器的反饋電壓以調(diào)節(jié)交流側(cè)電壓來保證輸出電壓的穩(wěn)定，常采用電壓控制環(huán)和電流控制環(huán)結(jié)合的雙環(huán)控制方案[6]。處于外側(cè)的電壓控制環(huán)，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的實時電壓，確保電壓的恒定，而內(nèi)側(cè)的電流控制環(huán)，使得逆變器控制系統(tǒng)帶寬更大，增加了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，使整個控制系統(tǒng)對于非線性負載所產(chǎn)生的擾動具有了更強的適應(yīng)能力，不僅增加了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

根據(jù)控制系統(tǒng)所選取的狀態(tài)變量的不同，雙環(huán)控制系統(tǒng)又分為電感雙環(huán)控制和電容雙環(huán)控制兩種。采用電容雙環(huán)控制與電感雙環(huán)控制相比，系統(tǒng)穩(wěn)定性略有降低，但系統(tǒng)外特性更硬[7]。

圖1 V/F控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

若忽略濾波阻抗Rn，根據(jù)電路原理可得逆變器方程[8]為

(1)

由式(1)可得逆變器域控制框圖

圖2 逆變器域控制框圖

加入電壓電流雙環(huán)控制后系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 加入雙環(huán)控制后的系統(tǒng)框圖

圖中，S為微分環(huán)節(jié)，1/S為積分環(huán)節(jié)，L為濾波電感，C為濾波電容；外環(huán)控制器傳遞函數(shù)為Kup+Kui/S，包括外環(huán)電壓環(huán)比例控制器傳遞函數(shù)Kup與外環(huán)積分控制器傳遞函數(shù)Kui/S；內(nèi)環(huán)比例控制器傳遞函數(shù)為K，SPWM控制逆變器傳遞函數(shù)為Kpwm(一般取Kpwm=1/2Udc，Udc為逆變器輸入端直流側(cè)電壓)。以iCn-ref為輸入，iCn為輸出，則電流環(huán)傳遞函數(shù)為

(2)

以Un-ref為輸入，Un為輸出，則電壓環(huán)傳遞函數(shù)為

(3)

3 基于NARMA-L2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的岸電電壓控制策略

3.1 神經(jīng)NARMA-L2自校正控制器

自校正控制(Self-Tuning Control)有兩種結(jié)構(gòu)，直接型和間接型。直接型自校正控制的不足之處在于采用的是開環(huán)控制，不能有效抑制擾動。一般情況下，自校正控制指的是間接自校正控制，由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器將對象進行模型估計，然后由相同結(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器進行參數(shù)的自適應(yīng)整定控制[9]。

系統(tǒng)辨識之前首先選擇一個模型結(jié)構(gòu)，描述一般的離散非線性系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)模型是非線性自回歸滑動平均模型(NARMA)，而非線性自回歸滑動平均-反饋線性化控制器(NARMA-L2)是根據(jù)NARMA模型建立的自校正控制器[10-11]。控制器分為辨識系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，采用NARMA模型來近似描述被控系統(tǒng)，需要訓(xùn)練一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來擬合非線性函數(shù)g(x)，使用采用BP算法對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值進行訓(xùn)練。

神經(jīng)NARMA-L2控制器，分為辨識和控制兩個部分，其中辨識器的輸入為{y(k)，u(k)}，輸出為

(4)

v和ω為辨識器Nf()和Ng()的突觸權(quán)重矩陣，其更新規(guī)則[12]為

(5)

同時，NARMA-L2控制器將被控對象轉(zhuǎn)變?yōu)榘殡S型系統(tǒng)，可以使用反饋線性化實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制[13]。NARMA-L2控制器可用下式表示

(6)

(7)

3.2 基于神經(jīng)NARMA-L2的岸電電壓控制模型

基于神經(jīng)NARMA-L2控制器的岸電電壓控制系統(tǒng)采用6輸入、3輸出、隱層數(shù)為10層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[14]。輸入量為dq軸參考電壓、dq軸實時電壓、電網(wǎng)參考頻率和實時頻率，輸出量為對dq軸電壓以及電網(wǎng)頻率的調(diào)制信號。預(yù)先采集傳統(tǒng)V/F控制模型穩(wěn)態(tài)狀況下的輸入和輸出數(shù)據(jù)，作為系統(tǒng)的理想輸出數(shù)據(jù)，對岸電系統(tǒng)進行函數(shù)擬合，建立岸電系統(tǒng)參考模型。

神經(jīng)NARMA-L2岸電控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 神經(jīng)NARMA-L2岸電控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

結(jié)合神經(jīng)NARMA-L2控制器的岸電VF雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 結(jié)合神經(jīng)NARMA-L2的VF雙環(huán)控制系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)輸出電壓Un反饋至NARMA-L2控制器，與參考電壓Un-ref進行比對，NARMA-L2控制器輸出調(diào)制信號。在模型訓(xùn)練過程中，取傳統(tǒng)PI控制器下的VF雙環(huán)控制系統(tǒng)中的參考電壓和系統(tǒng)輸出電壓作為模型輸入、輸出，作為NARMA-L2控制器訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

4 仿真分析

4.1 岸電系統(tǒng)仿真建模

為了驗證所提控制方法的有效性，本文基于Matlab/Simulink仿真軟件進行仿真建模[15，16]，岸電系統(tǒng)整體模型如圖6所示，包括岸基部分：岸電電源、整流器、逆變器、濾波器、隔離變壓器等，船基部分：柴油發(fā)電機、調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、船側(cè)負載等。

圖6 岸電系統(tǒng)仿真模型

取鎮(zhèn)江大港碼頭常見駁船參數(shù)，進行仿真算例參數(shù)設(shè)置，具體參數(shù)如表1所示。

表1 仿真算例參數(shù)設(shè)置

4.2 基于神經(jīng)NARMA-L2的岸電V/F控制模型仿真建模

基于神經(jīng)NARMA-L2的岸電V/F控制模型包括兩個部分，dq坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模塊和電壓電流雙環(huán)控制模塊[17]。模型輸入為負載電壓Un和電容電流iCn，以及d軸、q軸參考電壓，其中d軸參考電壓Ud-ref=690V，q軸參考電壓Uq-ref=0，輸出為6路逆變器控制脈沖。為確保船舶電網(wǎng)穩(wěn)定，坐標(biāo)變換模型中變換參考頻率取60Hz，由虛擬鎖相環(huán)模塊產(chǎn)生，基于神經(jīng)NARMA-L2自校正控制器的電壓電流雙環(huán)控制模型如圖7所示。

圖7 基于神經(jīng)NARMA-L2的岸電V/F控制模型

4.3 仿真分析

4.3.1 并網(wǎng)過程仿真

以下電壓圖，橫坐標(biāo)為時間(s)，縱坐標(biāo)為電壓(V)。以下電流圖，橫坐標(biāo)為時間(s)，縱坐標(biāo)為電流(A)。并網(wǎng)前，岸側(cè)變頻器使用PQ控制進行預(yù)同步控制[18，19]，調(diào)節(jié)岸側(cè)電源的有功功率和無功功率，電壓維持穩(wěn)態(tài)3s，穩(wěn)態(tài)運行至 3s時并網(wǎng)合閘，負載由船側(cè)發(fā)電機轉(zhuǎn)移至岸側(cè)負載，船側(cè)和岸側(cè)并網(wǎng)，系統(tǒng)由PQ控制轉(zhuǎn)換至V/F控制。

圖8 基于傳統(tǒng)V/F控制的岸電系統(tǒng)并網(wǎng)波形圖

圖9 基于神經(jīng)NARMA-L2的岸電V/F控制系統(tǒng)并網(wǎng)波形圖

如上圖所示，傳統(tǒng)V/F控制并網(wǎng)前電壓為585V，3s時刻并網(wǎng)合閘電壓驟降，經(jīng)過0.35s調(diào)整后平穩(wěn)于525V，電壓瞬態(tài)波動較大，穩(wěn)態(tài)誤差為-60V。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)V/F控制并網(wǎng)前電壓為585V，3s時刻并網(wǎng)合閘電壓下降，經(jīng)過0.3s調(diào)整后平穩(wěn)于540V，電壓波動為-45V，經(jīng)神經(jīng)NARMA-L2控制器優(yōu)化后的并網(wǎng)電壓波動顯著減少，電壓恢復(fù)速度有所提升。取四次實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，具體結(jié)果如表2所示。

表2 并網(wǎng)過程中的控制效果(①傳統(tǒng)V/F控制，②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)V/F控制)

4.3.2 負載變化狀態(tài)仿真

當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行至6s時，負載發(fā)生變化，電壓經(jīng)過瞬時波動后，在控制器調(diào)節(jié)下漸趨平穩(wěn)。

圖10 基于傳統(tǒng)V/F控制的岸電系統(tǒng)負載變化波形圖

如圖11所示，傳統(tǒng)V/F控制的岸電系統(tǒng)在6s時刻負載由90kW切換至60kW，經(jīng)過0.3s調(diào)整后平穩(wěn)于547V，電壓波動為+23V?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)V/F控制的岸電系統(tǒng)，在6s時刻負載由90kW切換至60kW，經(jīng)過0.1s調(diào)整后平穩(wěn)于561V，電壓波動為+21V?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)V/F控制的岸電系統(tǒng)負載切換時刻電壓、電流穩(wěn)態(tài)誤差顯著減少，電壓恢復(fù)穩(wěn)定速度提升。取四種負載狀況進行仿真比較，具體結(jié)果如表3。

圖11 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)V/F控制的岸電系統(tǒng)負載變化波形圖

表3 負載變化的控制效果(①傳統(tǒng)V/F控制，②神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)V/F控制)

如表2和表3所示，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)V/F控制在并網(wǎng)和負載切換過程中，電壓波動幅值相較傳統(tǒng)V/F控制波動較小，并網(wǎng)時刻電壓波動減少21%～25%，負載切換時刻電壓波動減少8%～16%，負載小范圍波動時，電壓恢復(fù)時間減少了40%，提升了電網(wǎng)并網(wǎng)時刻和負載切換時刻的安全性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過多次不同負載狀態(tài)下的仿真驗證，本文所提出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)V/F并網(wǎng)控制策略能夠有效提升岸電系統(tǒng)并網(wǎng)后船舶電網(wǎng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

本文將V/F控制模型和神經(jīng)NARMA-L2自校正控制器相結(jié)合，對岸電并網(wǎng)時刻和負載變換時刻的變頻器控制進行優(yōu)化?；谏窠?jīng)NARMA-L2自校正控制器的岸電V/F控制模型，相較傳統(tǒng)的岸電V/F控制模型參數(shù)設(shè)置更為簡單，具有更高的精度和更快的響應(yīng)速度，減少了并網(wǎng)和負載變化時刻的電壓波動，提高了并網(wǎng)系統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)精度并具有更好的動態(tài)特性，確保了作業(yè)人員的安全性和船舶電網(wǎng)的穩(wěn)定性。通過對岸電整體模型的仿真研究，驗證該控制系統(tǒng)的優(yōu)越性，為船舶岸電并網(wǎng)控制系統(tǒng)的設(shè)計和改進研究提供參考。