CN100530889C - 统一电能质量调节控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种统一电能质量调节控制方法及装置，该装置包括一个并联型换流桥，一个串联型换流桥，一个直流电源；一个第三换流桥。该方法步骤为：得到电网需补偿变量值；需补偿的电压畸变量和目标电流值以及它们的变化率作为控制器输入；选择模糊控制规则库和隶属函数待调整的参数作为抗体；通过免疫遗传算法确使模糊控制器的重要参数达到最优；产生SVPWM驱动信号驱动串/并联有源滤波器的功率器件；将给定期望的电容电压值与霍尔传感器检测的实际电容电压相减，取差值后作PI算法；再生成SVPWM驱动信号驱动第三换流桥的功率器件。本发明融合了遗传算法、免疫算法、模糊算法，控制器的鲁棒性，动、静态性能得到显著提高。

Description

统一电能质量调节控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种交流配电技术，进一步涉及一种统一电能质量调节控制方法及装置。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，在提高了人们生产、生活质量的同时，也给电网中增加了大量的非线性负载，尤其是大容量变流设备的广泛使用，导致大量谐波注入电网，使电网电压和电流波形发生畸变。电网电能质量日益下降反过来也严重威胁用户设备的安全运行与正常使用，特别是对变频调速设备、机器人、自动化生产线、精密数控机床、可编程控制器、计算机信息管理系统等那些高度自动化的用电设备，对电源的波动和各种干扰十分敏感，任何电能质量问题都可能使产品质量下降或管理秩序紊乱，造成重大的经济损失。因此，对谐波电流和无功进行滤波和补偿已成为保证供电系统安全运行的重要措施，应用新技术解决电能质量问题也成为电力系统研究领域中的热门课题之一。

国内外的专家、学者进行了大量研究工作，在电力有源滤波器(换流桥)的基础上提出新型电能质量调节装置一一统一电能质量调节器的概念。采用的控制方式有PID控制、无差拍控制、预测控制、模糊控制、人工神经网络。但随着电力电子电路拓扑的复杂化，这些传统控制方法应用于数学模型复杂的系统补偿无功、抑制谐波时，或存在依赖精确的数学模型，鲁棒性差，或存在预测延时导致差拍，或虽不依赖精确数学模型但稳态精度低，工作点附近容易小范围振荡，过渡过程较慢。也有一些学者经过反复试验，实现了较好的谐波抑制和无功补偿效果，但实验过程中选用的控制器参数较多且一般为经验值或一定范围内的试凑。

遗传算法作为一种高效的全局搜索方法，在模糊控制器的优化设计中得到应用，避免了隶属度函数和模糊控制规则的经验选取。但还存在一定的问题：由于隶属度函数和模糊控制规则不是相对独立而是相互联系的，因而要获得高性能的模糊控制器应该同时优化二者，但这样又存在着搜索空间太大的问题，而标准遗传算法存在的过早收敛、不能很好保持个体的多样性等缺陷也影响了这些优化设计的正确性和有效性。人工免疫原理抗体的多样性、免疫记忆等特性正好可以弥补这一不足。

发明内容

为此，本发明的目的在于提供一种由遗传算法、免疫原理和模糊控制器相结合的最优智能控制方式，实现对统一电能质量调节器在补偿无功、抑制谐波，解决电能跌落、闪变的问题时达到性能最优；本发明的另外一个目的在于提供实现上述控制方法的装置。

本调节器装置的主电路拓扑包括：一个接于负荷侧的并联型换流桥2，用于吸收谐波电流、补偿无功和负序电流分量；一个接于系统侧的串联型换流桥1，起到在系统和负载之间对谐波隔离的作用，以及维持连接点处电压、补偿电压闪变和不对称的作用；一个为串联型换流桥1和并联型换流桥2供电的直流电源；一个为第三换流桥3，维持两个换流桥之间的直流电压恒定。

对整个系统的控制是由数字信号处理芯片编程实现的。其中，串联型换流桥1和并联型换流桥2的控制方案选择遗传优化免疫模糊控制，即在遗传算法的基础上融合免疫系统的抗原识别、抗体多样性、免疫记忆、浓度控制等特点，并将其优良的寻优特性用于模糊规则库以及模糊子集隶属函数的优化。而换流桥3的控制方式选择快速性较好的PI控制。

串联型换流桥和并联型换流桥的控制方案：首先，将实测的电源电压和负载电流经霍尔传感器以及信号处理后送入DSP。电源电压通过坐标变换经低通滤波器得到电源电压基波正序幅值。同时根据对称分量法得到基波正序分量的瞬时相位信息，继而可得到电网基波正序单位参考电压和电源参考电流。电源参考电流与负载电流相减后就可得到并联有源滤波器的补偿目标电流。电源电压与电源电压基波正序分量做差，得到需补偿的谐波、无功和负序的电压畸变量。

需补偿的电压畸变量及其变化率和目标电流值及其它们的变化率作为两个遗传算法优化免疫模糊控制器输入。选择模糊控制规则库和隶属函数待调整的参数作为抗体。接下来的工作就是通过免疫遗传算法确使模糊控制器的重要参数达到最优，继而使控制器的控制效果达到最优。每个模糊控制器选择7个模糊子集，则模糊规则库由49条规则构成。由模糊变量的对称性，可将寻优参数减少一半，即24个。7个模糊子集只需用3位二进制数就可表示，001表示NB，100表示ZE，111表示PB等。这样，按一定次序排列的24条规则对应为一个长度为72位的二进制串。隶属函数采用三角形划分，并归一化，如图3所示。同样根据对称性，每个模糊变量的隶属函数只有2个可调参数X₁和X₂，这样每个模糊控制器共有6个可调的隶属函数参数：X₁(e)，X₂(e)，X₁(Δe)，X₂(Δe)，X₁(u)，X₂(u)，X₁(Δi)，X₂(Δi)。将每个参数都用8位二进制数表示，串联成一个二进制的48位字符串。将模糊规则库字符串和隶属函数参数串联起来就够成了120位的抗体。

根据免疫算法引入的记忆机制，将表1的模糊控制规则库和通常采用的等距离划分隶属函数作为初始记忆细胞。

针对，串联型换流桥和并联型换流桥，采用目标函数：

O_f＝αt_r+βM_p+γts+ω∫e²dt

表1：

式中，O_f为目标函数；t_r为系统的上升时间；t_s为调整时间；M_p为超调量；∫e²dt为误差平方积分；α、β、γ和ω为加权系数。根据实际的控制系统的响应确定出t_r＝0.8ms，M_p＝10％，t_s＝1ms以及∫e²dt的范围，根据稳定性要求取β＝0.5，γ＝0.01，ω＝0.8根据快速性要求取α＝0.01。由目标函数可得到抗体的抗原亲和力的计算式为

(A_g)_i＝1/(1+O_f)

将初始种群按(A_g)_i的降序排列，将高抗体的抗原亲和力的抗体加入到记忆细胞。根据式C_i＝m_i/N计算抗体浓度，式中，m_i为与抗体i的亲和力大于θ的抗体数；θ为亲和力常数，取值0.9；N为抗体种群规模，取值50，并根据抗体浓度进行免疫调节，增进抗体的多样性。选择抗体的标准由抗体的抗原亲和力和浓度抑制因子2个部分组成：

S_i＝λ(A_g)_i+(1-λ)e^-ηCi

式中，C_i为抗体浓度；加权系数λ＝0.7，η＝1.25。

对抗体种群中经过选择的抗体进行交叉和变异操作得到新种群，与更新后的记忆细胞精英抗体共同构成新一代种群。取交叉概率0.9，变异概率0.01，迭代次数取100。最终，可获得优化的控制规则库和隶属函数。

遗传算法优化免疫模糊控制器的输入确定为需补偿的电压畸变量和目标电流值以及它们的变化率，输出经过信号处理，产生SVPWM驱动信号驱动并联型换流桥和串联型换流桥的功率器件。

换流桥3的控制方案：给定期望的电容电压值，与霍尔传感器检测的实际电容电压相减，取差值后作PI算法，再生成SVPWM驱动信号驱动换流桥3的功率器件。具体PI算法见流程图。

本发明相对目前采用其它方式控制的统一电能质量调节器而言具有显著进步，主要体现在：

(1)设计过程无需依赖系统精确的数学模型。这是由模糊控制这种智能控制方法的特性决定的。面对复杂的对象、环境和任务，传统控制器的缺陷得到解决。

(2)免疫算法的介入，使该控制器具有了免疫记忆特性、抗体的自我识别和调节能力以及免疫的多样性等特征。

(3)采用遗传算法将“优胜劣汰，适者生存”的生物进化原理引入优化参数形成的编码串群体中，按所选择的适配值函数并通过遗传中的复制、交叉及变异对各个个体进行筛选，使适配值高的个体被保留下来，组成新的群体，新的群体既继承了上一代的信息，又优于上一代。最终使模糊控制规则和隶属度函数的选择得到优化。

(4)融合了遗传算法、免疫算法、模糊算法的遗传算法优化免疫模糊控制器鲁棒性，动、静态性能得到显著提高。

(5)补偿了非线性负载产生的无功和谐波以及负序电流，调节了负载端电压为幅值一定的三相对称电压和补偿电源电压负序分量，使用户免受电网电压不平衡和幅值波动的影响。

附图说明

图1统一电能质量调节器主电路结构图；

图2统一电能质量调节器串、并联换流桥检测控制框图；

图3隶属函数曲线；

图4电网电流补偿前后对比图；

图5补偿前负载电压波形图；

图6补偿后负载电压波形图

最佳实施方式

对照图1，根据配电网的实际情况可看出，负荷母线处A点电压不能满足B点处敏感负荷的电压要求，所以通过统一电能质量调节器的串联补偿单元换流桥1使B点处电压达到敏感负荷的要求；同时由于此敏感负荷为非线性、非对称负荷，所以又通过统一电能质量调节器的并联补偿单元换流桥2来补偿无功、谐波、负序分量；利用换流桥3经PI算法可对由超级电容器或蓄电池组等组成的直流储能系统进行储能，并使之稳定；在负荷高峰时直流储能系统又可通过换流桥2对负荷提供有功支持；电源断电时直流储能系统又可通过换流桥1对负荷提供UPS功能，同时换流桥2对提供补偿无功、谐波等功能，这样可使各换流桥的容量分配合理，不致使某一个换流桥的容量选择过大。

电源电压通过坐标变换经低通滤波器得到电源电压基波正序幅值。同时根据对称分量法得到基波正序分量的瞬时相位信息，继而可得到电网基波正序单位参考电压。

并联侧换流桥：电源参考电流的相位与已求取的基波正序单位参考电压相同，其有效值可根据能量平衡原理求解，将二者相乘即可得到电源参考电流。电源参考电流与负载电流相减后就可得到并联有源滤波器的补偿目标电流，与相应的实际电流做差后进入遗传算法优化的免疫模糊控制器做运算，再产生SVPWM信号驱动并联有源滤波器的功率器件。

串联侧换流桥：电源电压与电源电压基波正序分量做差，得到需补偿的谐波、无功和负序的电压畸变量。经遗传算法优化免疫模糊控制器运算后，产生SVPWM信号驱动串联有源滤波器的功率器件。

实验验证：图4为电网电流补偿前后对比图。探头一显示为统一电能质量调节器补偿之前的正弦度非常差的一相电网电流。探头二显示为补偿后的电网电流，波形已为平滑正弦波。这说明，非线性负载产生的谐波没有污染电网。

图5为补偿前负载电压波形图，正弦度略差，且幅值过高，由电网电压骤升引起的。图6为补偿后负载电压波形图，可看出正弦度变好，幅值降低为正常值。两图比较，证明经过统一电能质量调节器的补偿，非标准正弦电压没有对负载产生影响。

Claims (5)

1、统一电能质量调节控制方法，实现控制的装置主电路拓扑包括：一个接于负荷侧的并联型换流桥，一个接于系统侧的串联型换流桥，一个为并联型换流桥和串联型换流桥供电的直流电源，一个第三换流桥；其特征在于，包括如下步骤：

(1)串联型换流桥和并联型换流桥的控制方案：

a、得到电网需补偿的谐波、无功和负序的电压畸变量的数值；

b、需补偿的谐波、无功和负序的电压畸变量和目标电流值以及它们的变化率作为遗传算法优化免疫模糊控制器输入；

c、选择模糊控制规则库和隶属函数待调整的参数作为抗体；

d、通过免疫遗传算法确使模糊控制器的重要参数达到最优，继而使控制器的控制效果达到最优；

e、遗传算法优化免疫模糊控制器的输入确定为需补偿的电压畸变量和目标电流值以及它们的变化率，输出经过信号处理，产生SVPWM驱动信号驱动串联型换流桥和并联型换流桥的功率器件；

(2)第三换流桥的控制方案：

f、将给定期望的电容电压值与霍尔传感器检测的实际电容电压相减，取差值后作PI算法；

g、再生成SVPWM驱动信号驱动第三换流桥的功率器件。

2、如权利要求1所述统一电能质量调节控制方法，其特征在于，所述电网需补偿的谐波、无功和负序的电压畸变量的数值通过以下步骤获得：

(a)、首先，将实测的电源电压和负载电流经霍尔传感器以及信号处理后送入DSP；

(b)、电源电压通过坐标变换经低通滤波器得到电网电压基波正序幅值，同时根据对称分量法得到基波正序分量的瞬时相位信息，继而可得到电网基波正序单位参考电压和电源参考电流；

(c)、电源参考电流与负载电流相减后就可得到并联型换流桥的补偿目标电流；

(d)、电源电压与电源电压基波正序分量做差，得到需补偿的谐波、无功和负序的电压畸变量。

3、如权利要求1所述统一电能质量调节控制方法，其特征在于，模糊控制规则库选择7个模糊子集。

4、如权利要求1所述统一电能质量调节控制方法，其特征在于，隶属函数采用三角形划分，并归一化。

5、如权利要求1所述统一电能质量调节控制方法，其特征在于，根据免疫遗传算法引入的记忆机制，将表1的模糊控制规则库和通常采用的等距离划分隶属函数作为初始记忆细胞；

表1模糊控制规则库

针对串联型换流桥和并联型换流桥，采用目标函数：

O_f＝αt_r+βM_p+γt_s+ω∫e²dt

式中，O_f为目标函数；t_r为系统的上升时间；t_s为调整时间；M_p为超调量；∫e²dt为误差平方积分；α、β、γ和ω为加权系数；

根据实际的控制系统的响应确定出t_r＝0.8ms，M_p＝10％，t_s＝1ms以及∫e²dt的范围，根据稳定性要求取β＝0.5，γ＝0.01，ω＝0.8，根据快速性要求取α＝0.01；

由目标函数可得到抗体的抗原亲和力的计算式为：

(A_g)_i＝1/(1+O_f)

将初始种群按(A_g)_i的降序排列，将高抗体的抗原亲和力的抗体加入到记忆细胞；

根据式C_i＝m_i/N计算抗体浓度，式中，m_i为与抗体i的亲和力大于θ的抗体数；θ为亲和力常数，取值0.9；N为抗体种群规模，取值50，并根据抗体浓度进行免疫调节，增进抗体的多样性；

选择抗体的标准由抗体的抗原亲和力和浓度抑制因子2个部分组成：

S_i＝λ(A_g)_i+(1-λ)e^-ηCi

式中，C_i为抗体浓度；加权系数λ＝0.7，η＝1.25；

对抗体种群中经过选择的抗体进行交叉和变异操作得到新种群，与更新后的记忆细胞精英抗体共同构成新一代种群；取交叉概率0.9，变异概率0.01，迭代次数取100；最终，可获得优化的控制规则库和隶属函数。

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