混沌算法下電力濾波器定頻滯環(huán)電流控制

張士榮，郭 強(qiáng)

(1.江蘇理工學(xué)院，江蘇 常州 213001;2.南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094)

1 引言

隨著電力工業(yè)繁榮發(fā)展，電力供應(yīng)深入到人們生產(chǎn)與生活中，在滿足基本供電需求后，各用電主體對供電穩(wěn)定性、可靠性等電能質(zhì)量的要求也隨之增高[1]。受國家可持續(xù)性發(fā)展理念影響，電力工作環(huán)境凈化問題，逐漸成為人們關(guān)注的核心問題。在現(xiàn)有供電系統(tǒng)中，電流諧波含量含量較高，直接決定電網(wǎng)電能質(zhì)量和水平[2]。因此，消除電流諧波對電流的影響日趨重要。

文獻(xiàn)[3]提出新型滯環(huán)電流的空間矢量控制方法。該方法針對綜合矢量控制及滯環(huán)電流控制的優(yōu)勢，通過改善三相平均電流、波形以及開關(guān)損耗等參數(shù)，實現(xiàn)電力濾波器電流控制。該方法通過改善影響滯環(huán)電流的相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)了電力濾波器電流控制，且電流控制效果較好，但該方法對開關(guān)頻率控制考慮甚少，存在一定缺陷。文獻(xiàn)[4]提出基于改進(jìn)SDFT的電力濾波器選擇性諧波補(bǔ)償方法。該方法從諧波電流檢測和補(bǔ)償電流控制兩個角度出發(fā)，通過傅里葉變換算法，獲取基波周期的固有延時問題，通過增加誤差校正因子，消除預(yù)測誤差，降低了電力濾波器中諧波的影響，但對電流控制誤差較大。

基于上述方法存在的問題，本文提出借助混沌算法實現(xiàn)電力濾波器定頻滯環(huán)電流的控制?；煦缢惴ㄊ菍煦缧蛄羞M(jìn)行簡單加密的算法，通過單向Hash函數(shù)，混沌映射密鑰的迭代初值，通過與實際數(shù)據(jù)逐字節(jié)的運算，找到全局覆蓋最優(yōu)值。利用混沌算法遍歷性、隨機(jī)性以及全局性的特征，解決傳統(tǒng)控制方法中陷入局部最優(yōu)解的問題，為定頻滯環(huán)電流控制效果，提供更加精準(zhǔn)的分析數(shù)據(jù)，為電力濾波器的穩(wěn)定工作，提供更加安全高效的電流值，保證供電網(wǎng)絡(luò)以及供電系統(tǒng)的可靠運行，與傳統(tǒng)方法相比具有一定優(yōu)勢。

2 混沌算法的電力濾波器定頻滯環(huán)電流控制

2.1 電力濾波器工作特征提取

為了實現(xiàn)電力濾波器定頻滯環(huán)電流控制，首先需要獲取其工作特征。通過建立電力濾波器數(shù)學(xué)模型，利用有源濾波器中諧波檢測電路，在負(fù)載電流中濾除基波電流，得到濾波器的諧波電流。根據(jù)諧波電流與補(bǔ)償電流的差值，跟蹤電流運算電路和驅(qū)動電路中產(chǎn)生的驅(qū)動信號，控制主電路中開關(guān)器件的開關(guān)動作。

默認(rèn)變流器的補(bǔ)償電流為icj。當(dāng)補(bǔ)償電流進(jìn)入到電網(wǎng)中抵消諧波電流時，此時電源電流為isj，其不再具備諧波成分，僅為基波電流[5]。因此，根據(jù)濾波器工作原理和基爾霍夫電流一般定律，得到

(1)

式中，a、b、c分別表示電流的相坐標(biāo)；s表示電流方向；I表示總體電流。

為了避免諧波電流流入電力濾波器供電模塊中，向電網(wǎng)中注入與負(fù)載電流中諧波電流大小相等的補(bǔ)償電流，使電源電流中只含有基波分量。因此，存在：

(2)

式中，ua、ub以及uc表示不同相電壓的基本值；L表示主控電路。

已知在任何時刻下，變流器每相橋臂中的一組開關(guān)器件始終處于互補(bǔ)狀態(tài)。當(dāng)打開開關(guān)器件1時，開關(guān)器件4則處于關(guān)閉狀態(tài)。此時相電壓基本值接近于相電壓峰值式(2)中各組計算結(jié)果均大于0，補(bǔ)償電流也隨之變大；當(dāng)開關(guān)器件4導(dǎo)通時，此時開關(guān)器件1處于關(guān)閉狀態(tài)，此時相電壓基本值為0，各組計算結(jié)果均小于0，補(bǔ)償電流也隨之變小。因此，利用補(bǔ)償電流消除諧波，采用諧波檢測方法，在負(fù)載電流中獲取諧波電流，比較補(bǔ)償電流與析出諧波電流的各自特征，對開關(guān)器件發(fā)出PWM的觸發(fā)信號，通過改變補(bǔ)償電流的大小，控制開關(guān)器件開關(guān)動作，實現(xiàn)對電力濾波器的有效控制。因此，利用矩陣提取電力濾波器工作特征，則：

(3)

式中，ω1表示與相電源電壓同頻率同相位的正弦信號和余弦信號的權(quán)重；t表示周期。

利用該矩陣提取電力濾波器工作特征，即為負(fù)載電流的活動狀態(tài)[6]。

2.2 混沌算法追蹤負(fù)載電流波動軌跡

根據(jù)上述獲取的電力濾波器工作特征參數(shù)，利用混沌算法追蹤負(fù)載電流的波動軌跡?；煦缢惴ㄖ辛Ｗ尤簝?yōu)化算法是通過鳥類尋找食物的方式，在空間中通過粒子尋找最優(yōu)解，其中每個粒子作為一個維度變量，混沌粒子算法的一般計算公式為 ：

(4)

式中，xi表示第i個粒子的維度變量；W表示粒子集合。k(x)表示粒子群算法結(jié)果。

假設(shè)第i個粒子用Di=(xi1，xi2,…,xiW)表示，默認(rèn)其迭代過程中最合適值為D0。在迭代過程中，每一代產(chǎn)生最佳粒子為G0，則混沌粒子群算法的迭代公式為

(5)

fi+1=βfi(1-fi)

(6)

式中β表示一個常數(shù)，其范圍為[3.57，4]之間；fi表示Logistic映射下混沌序列范圍，數(shù)值在(0，1)之間。Logistic方程滿足混沌算法的遍歷要求[8]。在混沌域中，電力濾波器中信號源運動軌跡能夠被準(zhǔn)確追蹤且不重復(fù)。

已知混沌序列fi的存在范圍，將混沌算法的變量值xi，從單獨解空間映射到混沌序列中，綜合式(4)—式(6)的計算結(jié)果，則混沌變量的映射方程為

(7)

式中，ximin與ximax分別表示混沌變量xi的最小值和最大值。根據(jù)上述計算，獲取混沌序列映射結(jié)果，映射到算法的變量值解空間中，則有

xi=fi(ximax-ximin)+ximin

(8)

利用Logistic映射得到混沌序列粒子的參數(shù)取值，根據(jù)該結(jié)果追蹤負(fù)載電流波動軌跡。

2.3 定頻滯環(huán)電流控制

在上述完成負(fù)載電流波動軌跡追蹤后，對定頻滯環(huán)電流進(jìn)行控制。在此次研究中，要求控制某兩相之間的相間誤差電流，另外一相自由控制，三相電流之間相互影響，三相電流總和與三相誤差電流之和均為零。雖然不能控制另外一相的相間誤差電流，但其值也可控。第三相相間誤差電流等于另外兩相誤差電流之和的負(fù)值，即

Δiab=-(Δibc+Δica)

(9)

式中Δiab、Δibc以及Δica分別表示ab相間、bc相間以及ca相間的誤差電流[9-10]。

若能控制兩相相間誤差電流在相位上相反，則可將第三相誤差電流限制在最小范圍內(nèi)，從而降低電力濾波器的損耗。根據(jù)誤差電流變化情況可知，受控相間誤差電流要求定頻控制，將一個標(biāo)準(zhǔn)參考頻率的脈沖，作為控制基準(zhǔn)信號，將各相開關(guān)的相位與基準(zhǔn)信號對齊，保證各相開關(guān)同步。在控制的初始階段，將開關(guān)頻率穩(wěn)定在固定頻率范圍內(nèi)，固定開關(guān)相位與標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號相位差。當(dāng)調(diào)節(jié)頻率時，將一個相位移動作為滯環(huán)寬度的補(bǔ)償量。默認(rèn)上一開關(guān)周期中0值信號中點與脈沖信號之間的時間差為Δq，則存在

(10)

式中，Q表示下個周期開關(guān)信號電平作用時間的期望目標(biāo)；Q1、Q2分別表示下個周期開關(guān)信號高電平、低電平作用時間；R表示當(dāng)前滯環(huán)寬度[11-12]?？紤]誤差電流變化的補(bǔ)償量，假設(shè)補(bǔ)償量分別為Δφ1和Δφ2，則式(10)修正后的計算結(jié)果為

(11)

式中，Q′為定頻滯環(huán)電流控制下修正后的期望目標(biāo)。根據(jù)上述分析實現(xiàn)混沌算法下電力濾波器定頻滯環(huán)電流控制。

3 仿真研究

3.1 實驗環(huán)境及參數(shù)

利用電磁暫態(tài)仿真程序進(jìn)行仿真測試，實驗用的電力濾波器基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電力濾波器基本結(jié)構(gòu)

圖中，US表示380V電壓，UC為800V電壓；LF值為0.0125 H、LL值為0.003 H、L值為0.1 H；負(fù)荷值為50 Ω。利用電力濾波器補(bǔ)償直流電動機(jī)工作過程中產(chǎn)生的諧波電流。此次研究控制方法對電力濾波器的定頻滯環(huán)電流控制邏輯，如圖2所示：

圖2 電力濾波器定頻滯環(huán)電流控制邏輯

實驗設(shè)置了兩組滯環(huán)比較器，一組判定和調(diào)制參考電壓的控制切換，另外一組控制相間誤差電流，將形成的開關(guān)矢量用于驅(qū)動電路中。

3.2 實驗方案

實驗采用對比方法，分別對比所提方法、新型滯環(huán)電流的空間矢量控制方法以及改進(jìn)SDFT的APF諧波補(bǔ)償方法。以電流補(bǔ)償效果、電流誤差控制以及開關(guān)頻率控制為實驗指標(biāo)，分別對比三種方法的效果。

3.3 實驗結(jié)果分析

3.3.1 不同方法電流補(bǔ)償效果分析

根據(jù)電力濾波器仿真測試環(huán)境，測試所提方法、新型滯環(huán)電流的空間矢量控制方法以及改進(jìn)SDFT的APF諧波補(bǔ)償方法，對電力濾波器定頻滯環(huán)電流補(bǔ)償?shù)男Ч?，實驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同方法電流補(bǔ)償效果對比

分析圖3 結(jié)果可以看出，在電流為-10A～15A 之間，采用三種方法對電流補(bǔ)償后的效果存在一定差異。其中，采用所提方法補(bǔ)償后的電流與理想補(bǔ)償效果較為吻合，而其它兩種方法補(bǔ)償電流后的效果與理想效果存在一定差距，均存在一定波動。相比之下采用所提方法補(bǔ)償電流的效果較好，這是由于所提方法通過單相定頻方法，固定開關(guān)相位與標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號相位差，考慮誤差電流變化的補(bǔ)償量，進(jìn)而提升了電流補(bǔ)償效果，具有一定可行性。

3.3.2 不同方法電流誤差控制分析

為了驗證所提方法的有效性，實驗對比了所提方法、新型滯環(huán)電流的空間矢量控制方法以及改進(jìn)SDFT的APF諧波補(bǔ)償方法，在對電力濾波器電流控制誤差進(jìn)行對比，實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法電流誤差控制對比

分析圖4 可以看出，隨著迭代次數(shù)的改變，三種方法對電力濾波器電流誤差控制的誤差隨之發(fā)生變化。其中，所提方法對電力濾波器電流控制的誤差較低，最低約為1%，而其它兩種方法的控制誤差雖然處于下降趨勢，但始終高于所提方法的控制誤差。這是由于所提方法采用混沌算法中Logistic映射，獲取混沌序列粒子的參數(shù)取值，完成負(fù)載電流波動軌跡的追蹤，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了電流的誤差控制，具有一定可信度。

3.3.3 不同方法開關(guān)頻率控制效果分析

為進(jìn)一步驗證所提方法的可行性，實驗分析了三種方法對電力濾波器開關(guān)頻率控制的效果，實驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同方法電力濾波器開關(guān)頻率控制效果

根據(jù)圖5所示的測試結(jié)果可知，三相開關(guān)動作頻率測試中，所提方法的三相開關(guān)動作頻率，較為恒定，加上采用三電平控制，每個工頻周期內(nèi)開關(guān)動作時間始終下降，相比于其它兩種方法的開關(guān)動作控制時間較低，可見在所提方法控制下，電力濾波器的開關(guān)頻率被有效控制。這是由于所提方法通過單相定頻方法，固定開關(guān)相位與標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號相位差，實現(xiàn)了電力濾波器的開關(guān)頻率有效控制，具有一定優(yōu)勢。

4 結(jié)束語

針對電力濾波器定頻滯環(huán)電流控制中存在的問題，本文借助混沌算法對其進(jìn)行有效控制。在分析了電力濾波器運行原理基礎(chǔ)上，獲取其運行特征，在此基礎(chǔ)上，通過混沌算法中Logistic映射提取最優(yōu)粒子的位置參數(shù)等，完成了對電力濾波器定頻滯環(huán)電流的有效控制，與傳統(tǒng)方法相比所提方法具有以下優(yōu)勢：

1)采用所提方法對電力濾波器定頻滯環(huán)電流的補(bǔ)償效果與理想效果較為吻合；

2)采用所提方法對電力濾波器定頻滯環(huán)電流誤差控制最低約為1 %，具有一定可信度；

3)采用所提方法對電力濾波器的開關(guān)頻率進(jìn)行控制的效果較好，具有一定優(yōu)勢。

此次研究將混沌算法與電流控制基本原理相結(jié)合，經(jīng)大量實驗論證，取得了不錯成果。但此次研究還存在一些不足之處，今后研究工作將重點轉(zhuǎn)移到混沌算法上，通過優(yōu)化現(xiàn)有混沌算法，加強(qiáng)算法的最優(yōu)解，為電力濾波器定頻滯環(huán)電流控制提供更加可靠的技術(shù)手段。