基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的微電網(wǎng)諧波抑制策略

朱鵬鵬，張欽臻

（上海電力大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

引言

隨著用戶用電能力的提升，對供電電能質(zhì)量的要求也在不斷提高。尤其各種電力電子接口的微電網(wǎng)，其相對容量較小，同時存在各種非線性或不對稱負(fù)載，都進(jìn)一步產(chǎn)生更多的電能質(zhì)量問題。

電能質(zhì)量的下降不但會嚴(yán)重危害微電網(wǎng)中的各個用電設(shè)備，同時也會干擾VSC 的穩(wěn)定運行[1-2]。本文主要考慮短期指標(biāo)，討論電壓質(zhì)量（Voltage Quality）。即各微電源輸出的實際電壓波形與額定三相電壓波形的差別，其主要指標(biāo)包括電壓的幅值波動與電壓諧波（Voltage Harmonics）等。當(dāng)微電網(wǎng)處于孤網(wǎng)運行狀態(tài)時，缺乏外部電網(wǎng)的支撐，對于電壓諧波的抑制能力降低。并且由于分布式電源通常缺少慣性與阻尼，其大量接入微電網(wǎng)會帶來很多危害，包括電能傳輸和利用效率的降低、產(chǎn)生噪聲與振動，以及電氣設(shè)備使用壽命減少等。

針對帶三相不平衡負(fù)載的VSC 接口微電網(wǎng)，文獻(xiàn)[3-4]提出增加一個△/Y 變壓器來解決逆變器輸出電壓不平衡的問題，但成本有所增加。文獻(xiàn)[5]提出增加充當(dāng)電流源的從逆變器，利用其剩余可用容量來補償負(fù)載的諧波與負(fù)序電流分量，但額外增加電力電子器件，會進(jìn)一步加大成本與控制策略的壓力。文獻(xiàn)[6]運用CMAC 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與PID 算法結(jié)合控制有源濾波器（APF），然而，需要增加大量的補償裝置。文獻(xiàn)[7]首次提出虛擬同步機的概念，使逆變器具有同步發(fā)電機的并網(wǎng)運行外特性，使其等效為電流源；但處于孤網(wǎng)運行狀態(tài)時無法保證頻率穩(wěn)定。

本文通過對現(xiàn)有文獻(xiàn)的研究，分析微電網(wǎng)中的電壓諧波產(chǎn)生原因，并討論對諧波的有效抑制方法。主要通過徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBF Neural Network）改進(jìn)控制策略，減小輸出電壓的諧波含量，從而降低對用電設(shè)備供電電壓質(zhì)量的影響。最后通過仿真驗證該策略的有效性。

1 微電網(wǎng)諧波分析

1.1 孤網(wǎng)電壓諧波原因

微網(wǎng)中的電壓諧波主要有三個來源：電力電子開關(guān)諧波、非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波和補償裝置引起控制器不穩(wěn)定產(chǎn)生的諧波[8]。

在微電網(wǎng)中，非線性負(fù)荷設(shè)備的電壓與流過這些設(shè)備的電流不成比例關(guān)系，也會使得電流中產(chǎn)生大量諧波。這些諧波電流流過系統(tǒng)阻抗時，會進(jìn)一步導(dǎo)致電壓畸變。以典型的三相不控整流非線性負(fù)載為例，直流側(cè)帶阻性負(fù)荷時，交流側(cè)相電流表達(dá)式為

可以看出，其中主要包含5、7、11 等奇數(shù)次諧波。

此外，負(fù)載通常需要消耗一定的無功功率，一般會就近安裝無功補償裝置，如并聯(lián)電容器。在實際應(yīng)用中，為避免諧振通常會給并聯(lián)電容器串接電抗器。即便VSC 控制器參數(shù)經(jīng)整定使得微電源控制系統(tǒng)穩(wěn)定，也會由于無功補償裝置等干擾其穩(wěn)定性。通常電壓不但會發(fā)生振蕩，而且電壓諧波含量也很大。這就需要對控制器參數(shù)進(jìn)行重新調(diào)整。

1.2 孤網(wǎng)電壓諧波抑制方法

微電網(wǎng)中PWM 型電力電子設(shè)備產(chǎn)生的開關(guān)諧波主要集中在開關(guān)頻率及其倍頻附件。小容量VSC 的開關(guān)頻率通常為十幾到幾十千赫茲之間，中大容量的VSC 開關(guān)頻率通常在幾千到十幾千赫茲之間。開關(guān)諧波次數(shù)較高且頻率范圍穩(wěn)定，其抑制手段已經(jīng)相對成熟[8]。

在系統(tǒng)中帶有非線性不平衡負(fù)載時，必然存在諧波電流。為了減小諧波電流的影響，通常有兩方面的抑制措施：（1）抑制諧波電流；（2）減小諧波電流對微電源輸出電壓的影響。

VSC 采用下垂控制時輸出電壓是通過轉(zhuǎn)換為dq 坐標(biāo)系實現(xiàn)解耦控制的，可以通過改變控制器結(jié)構(gòu)來達(dá)到改善電能質(zhì)量的目的。以d 軸為例，VSC 輸出電壓與輸出電流的戴維南等效關(guān)系為

式中Gu（s）為電壓增益，Z0（s）為等效阻抗。電路形式為一個表示基波分量的理想電壓源和等效阻抗串聯(lián)而成，如圖1 所示。由電路分析可得知，減小等效阻抗可有效降低輸出電壓受諧波電流的影響。

圖1 VSC 等效輸出模型

2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

對于孤網(wǎng)狀態(tài)運行的VSC，通常采用電壓電流雙閉環(huán)形式的下垂控制策略，可以維持頻率和電壓穩(wěn)定。

同時，通過采用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制來減小諧波電流對輸出電壓的影響[9]。本文使用的RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包含3個隱含層，若x=[xi]T為網(wǎng)絡(luò)的輸入，h＝[hj]T為隱含層輸出，hj為第j 個神經(jīng)元輸出。

其中，c=[cij]為隱含層第j 個神經(jīng)元高斯基函數(shù)中心點坐標(biāo)向量，i=1，2，...，n，j=1，2，...，m，b=[b1，...，bm]T，bj為隱含層第j 個神經(jīng)元高斯基函數(shù)的寬度。

RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值設(shè)置為

網(wǎng)絡(luò)輸出為

整體控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2。

其中，uabc為系統(tǒng)采樣三相電壓，uIabc為逆變器輸出電壓參考值。對于電壓電流環(huán)采用PID 控制。

網(wǎng)絡(luò)基于梯度下降法逼近，選用誤差指標(biāo)為

通過對諧波含量的有效逼近，即可在控制器中最大程度降低對輸出電壓的不利影響。

3 仿真驗證

文中基于MATLAB Simulink 環(huán)境下搭建帶有一般負(fù)荷、補償裝置與非線性負(fù)荷的VSC 模型，驗證上述策略的可行性。其中VSC 先采用傳統(tǒng)下垂控制，非線性負(fù)荷由直流側(cè)帶電阻的三相不可控整流橋模擬。仿真所使用的微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3，實驗所使用的主電路結(jié)構(gòu)見圖3，使用的電路參數(shù)見表1，控制系統(tǒng)參數(shù)見表2。

圖4 為VSC 負(fù)荷側(cè)電壓輸出波形，若僅接入補償裝置，電壓諧波含量并不高，從圖4（a）可以看出；接入不平衡負(fù)載后，電壓畸變嚴(yán)重，如圖4（b）；在采用RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)諧波波形逼近并在控制器中予以消除后，輸出波形如圖 4（c）。

圖2 RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制諧波抑制控制策略框圖

圖3 帶補償裝置與非線性負(fù)荷的VSC 主電路結(jié)構(gòu)

表1 主電路參數(shù)

表2 控制系統(tǒng)參數(shù)

圖4 負(fù)荷側(cè)電壓輸出波形圖

4 結(jié)論

本文分析造成孤網(wǎng)中VSC 輸出電壓造成畸變的原因后，提出一種基于RBF 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近諧波電流在等效阻抗上造成的電壓諧波并予以消除的電能質(zhì)量改善策略，并通過仿真驗證了該理論的可行性。這種控制策略可以僅通過改進(jìn)控制策略抑制電壓產(chǎn)生的畸變，能替代傳統(tǒng)的在微電網(wǎng)中接入有源電力濾波器的方法，產(chǎn)生的電流諧波全部由VSC 來吸收，供給負(fù)荷的電壓質(zhì)量能得到有效改善。