應用神經網絡的變流器波形復合控制策略

作者簡介：戴瑜興（1956-），男，湖南瀏陽人，湖南大學教授，溫州大學教授

摘要：針對港口現有岸電電源產品所采用控制策略的不足，研究分析了岸電電源PWM可逆變流器數學模型在DQ坐標系下的特點，提出了一種基于改進的重復控制和神經網絡內模控制的變流器輸出波形復合控制策略采用BP神經網絡結構作為內模控制器的預估模型和控制器，神經網絡預估模型可在線學習建立與被控對象相匹配的精確模型，神經網絡控制器動態響應快，輸出無靜差，擾抗性好實驗證明，應用該復合控制策略的系統整流功率因數接近于1；供電非線性混合負載輸出波形失真率低于2%；動態響應快，在2個周期內恢復穩定輸出

關鍵詞：神經網絡；可逆變流器；波形復合控制；重復控制

中圖分類號：TM9215文獻標識碼：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電機供電，是控制港區空氣質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象，與傳統變流技術相比，具有高功率因素和低諧波污染的優點，在岸電電源、UPS、軍用設備、太陽能和風能等清潔能源使用中得到廣泛的應用

港口現有岸電變流器多使用PID控制、內模控制、無差拍控制和重復控制等方式，無法同時滿足大功率、強沖擊、高穩定的供電需求而未得到廣泛使用PID控制雖魯棒性較強，但在非線性負載、噪聲或擾動影響下，設定的控制參數無法得到穩定和精確的控制效果內模控制雖參數簡明，動態響應較好并有較強的魯棒性和抗干擾性，但難于建立精準模型無差拍控制靜態輸出穩定及動態反應較快，但易出現較強振蕩，魯棒性較差重復控制較大改進了電源變流器的穩定輸出，但因有一個周期的控制延遲影響了動態響應效果神經內模控制在有精確模型的基礎上可確保系統有很好的魯棒性和動態性能，但因其需要在線訓練學習才能獲得精確模型，致使算法還未獲得大量應用[2-6]目前，各種輸出高精穩定且抗擾性強的智能控制策略成為高性能變流器的研究熱點

針對兩電平三相PWM可逆變流器在DQ坐標系下的特點，本文利用改進的重復控制策略與神經網絡內模控制策略相結合，設計了變流器輸出波形復合控制器，并通過實驗測試了該控制策略性能

1變流器拓撲結構及模型解耦

兩電平三相PWM可逆變流器拓撲結構如圖1所示該結構共分為網側濾波單元、電壓型PWM整流單元、直流儲能單元、電壓型PWM逆變單元與負載側濾波單元等5個部分

2重復控制單元控制器設計

重復控制理論是建立在內模控制的基礎上，其核心在于內部模型設計在常用重復控制策略模型應用中普遍存在兩個方面不足一是由于延時單元的存在，使得系統動態性能較差，對擾動調節時間超過了一個周期二是因濾波器Q（z）的使用，使得系統增強穩定性的同時存在了靜差

濾波單元時，系統理論上可以實現無靜差，但是這種純積分控制結構使系統穩定性和魯棒性變得很差，在工程實際應用中是被禁止的因此為改善系統穩定性，一般使輔助補償器Q（z）為低通濾波形式或者為略小于1的常數，如095

延時單元是內模組成部分，當控制信號檢測到誤差信息時使延時至下一個周期動作的存在雖然影響了系統動態性能卻是重復控制內模的固有組成部分，不能舍棄因指令和擾動在很多情形下都重復出現，如圖2所示，經改進的嵌入式結構使系統保留了指令信號的快速響應通道

補償器將獲得的系統補償量在下一周期作用于控制對象校正輸出取，該設計可保證系統運行穩定性并改善修正效果，超強補償相位幅值其中為重復控制幅值增益補償；為相位補償；S（z）起濾波作用消除諧振峰值、校正中低頻增益并增強高頻衰減特性的存在雖然使的相位補償相對滯后，卻增強了系統的高頻抗干擾能力和系統穩定性

3神經網絡內模控制單元設計

神經內模控制器設計如圖3所示，分別用神經網絡控制器NNC（neural network controller）和神經網絡預估模型NNM（neural network model）取代內模控制結構中的被控對象預估模型和內模控制器由內模原理可知，只要NNM和NNC穩定則系統穩定，即當NNC為NNM的逆時，系統誤差

32神經網絡控制器NNC設計

根據內模原理穩定性充分條件，控制器NNC設計結構應是預估模型NNM結構的逆，故NNC應采用與NNM同樣的三層BP神經網絡結構設計由圖4知，NNC結構比NNM多一個輸入層網絡節點

4復合控制器設計及實驗驗證

復合控制器結構框圖設計如圖5所示通過改進的重復控制單元和神經網絡內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，重復控制單元通過改進可保證在穩態時輸出高精度的穩態波形，能夠適用于船舶各精密儀器用電需求，但一旦有給定指令，重復控制器需延時至下一個周期作用被控制對象神經內模控制單元控制無靜差，動態響應快，在重復控制的延時周期能快速動態響應指令，很好的填補了重復控制單元的不足，但神經網絡內模控制單元中NNM預估模型需要在線訓練學習才能獲得精確模型因此神經網絡內模控制與重復控制單元綜合的波形復合控制器使系統的負載適應性和魯棒性得到增強，強有效地改善了可逆變流器的輸出波形

搭建如圖6所示實驗平臺驗證該波形復合控制策略，以TI公司生產的時鐘頻率達150 MHz的TMS320F28335為DSP控制芯片，輔以各采樣電路、驅動電路及保護電路等用泰克TDS3032示波器和電能質量分析儀Fluke43B做為測試工具，采用表1中參數驗證可逆變流器波形復合控制器的實際控制效果

41穩態性能

通過搭建的實驗平臺分別測試PWM整流器和PWM逆變器穩態性能圖7（a）為電能質量分析儀對PWM整流器穩態時輸入A相的功率因數測試結果，表明整流網側功率因數高達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果表明輸出電壓穩定在600 V±2%，A相波形失真率為19%可見PWM整流器功率因數高，對電網無諧波污染

42動態響應

采用負載突然增加或減少來驗證該復合控制器的動態響應性能圖10為變流器負載突變時PWM逆變器波形測試結果由輸出波形可知變流器均在負載突變的第一個周期迅速響應，在兩個周期內輸出均穩定下來，證明采用復合控制器的變流器具有良好的動態響應性能

圖11為采用復合控制與采用PI控制PWM逆變器動態輸出波形比較測試結果，顯示突加負載時采用復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重的失真，隨后波形有幅值變化顯然采用復合控制的波形明顯好于PI控制波形

43魯棒性和擾抗性

通過調節實驗平臺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大小，分析該系統的魯棒性和擾抗性測試數據如表2所示，逆變部分在直流母線波動的狀況下，輸出始終穩定其中相電壓誤差始終穩定在2%以內，THD值在18%以內，輸出頻率穩定

5結語

分析了港口現有岸電電源產品所采用控制策略的不足，研究了岸電電源中PWM可逆變流器的數學模型在DQ坐標系下的特點，提出了一種基于改進的重復控制和神經網絡內模控制的波形復合控制策略，該策略能夠很好的綜合兩種控制策略的優勢，互補不足通過搭建實驗平臺驗證該控制策略，實驗證明，應用該復合控制策略的PWM可逆變流器波形輸出穩定，精度高，THD值低，負載適應性強，動態響應快，符合船級社的船舶用電標準，可以在岸電電源應用中推廣使用

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