有源电力滤波器的神经网络PI控制器设计.docx
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申请上海交通大学工学硕士学位论文
有源电力滤波器的神经网络PI控制器设计
学 校:
上海交通大学
院 系:
电子信息与电气工程学院学科专业:
电工理论与新技术
作者姓名:
冯亚琼
导师姓名:
王昕 副教授
上海交通大学电子信息与电气工程学院
2011年1月
万方数据
AThesisSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMaster
DESIGHOFNEURALNETWORKPICONTROLLERFORACTIVEPOWERFILTER
Author:
YaqiongFENG
Specialty:
TheoryandNewTechnologyofElectricalEngineering
Advisor:
XinWANG
SchoolofElectronicsInformationandElectricEngineeringShanghaiJiaoTongUniversity
Shanghai,P.R.ChinaJanuary,2011
上海交通大学工学硕士学位论文
摘要
有源电力滤波器的神经网络PI控制器设计
摘 要
在我国电力工业蓬勃发展、电力负荷急剧增长的同时,非线性负载在配电系统中不断增加,对供电系统电能质量造成了严重的污染;另一方面,现代高度自动化和智能化的工业用电设备也对供电系统提出了更高的要求。
如何抑制电网谐波,改善电能质量已成为近年来研究的热点。
因此,谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。
有源电力滤波器通过产生和谐波源谐波电流具有相同幅值而相位相反的补偿电流来达到消除谐波的目的。
控制器的设计直接影响到有源滤波器的输出能否快速、准确地跟踪参考电流的变化。
为了获得理想的补偿特性,考虑到有源电力滤波器系统中存在非线性、时变、变参数等不确定性,难以对控制对象建立精确的数学模型等特点,本文设计了神经网络PI控制器。
通过神经网络不断学习来优化PI控制器的控制参数,最终获得一组最优的控制参数,从而获得较高的控制精度。
针对一般的PI控制器对周期性的信号难以实现无差控制的问题,引入递推积分PI控制器实现无稳态误差,为此设计了神经网络递推积分PI控制器,以实现对有源电力滤波器的无差控制;但在利用神经网络进行参数在线整定时,初始参数的选取对于
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最终的控制结果有很大影响,为此引入迭代控制策略,设计了迭代神经网络递推积分PI控制器。
它不但可以减小初始跟踪偏移,而且可以加快初始跟踪速度。
最后的仿真结果证明了上述算法的有效性。
关键词:
有源电力滤波器,神经网络,PI控制,递推积分PI控制,迭代控制
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万方数据
上海交通大学工学硕士学位论文
ABSTRACT
DESIGHOFNEURALNETWORKPICONTROLLERFORACTIVEPOWERFILTER
ABSTRACT
Inourcountry,electricpowerindustrydevelopsvigorously,accordingwithpowerloadincreasingsharplyatthesametime.Thennonlinearloadindistributionsystemisincreasing,whichcausesseriouspollutiontopowerqualityofthepowersupplysystem.Ontheotherhand,modernautomationandintelligentindustrialelectricalequipmentalsoputforwardhigherrequirementofpowersupplysystem.Howtosuppressharmonicwaveinthepowergridandimprovethepowerqualityhasbecomearesearchhotspotrecently.Therefore,theharmonicmanagementhasbecomeurgentproblemstobesolvedinelectricalengineeringfield.
ActivePowerFilter(APF)caneliminateharmoniccurrentbygeneratingcompensatingcurrentwhichhasthesameamplitudeandoppositephasewithsourceharmoniouswave.Totrackchangesofreferencecurrentquicklyandaccurately,controllerdesignmethodplaysanimportantrole.Inordertoobtainidealcompensationcharacteristics,consideringthenonlinearity,time-varyingcharacteristicsandparameters
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万方数据
uncertainty,difficultytoestablishprecisemathematicalmodel,NeuralNetwork(NN)PIcontrollerisdesignedfirstly.PIcontrollerisdesignedtocontroltheAPFwhileneuralnetworkistrainedtosettheparametersofPIcontroller,whichcangainhighercontrolprecision.BecausePIcontrollerisdifficulttoachievenodeadbeatcontrol,arecursiveintegralPIcontrollertogetherwithneuralnetworkisproposedtoachievenon-steady-stateerrorcontrolofAPFsecondly.However,whileneuralnetworkisusedtotuneparametersofPIcontroller,selectionofinitialparametershasagreatinfluenceonthefinalresult.Finally,aniterativeNNrecursiveintegralPIcontrollerispresented.Itcannotonlyreduceinitialtrackingoffset,butalsospeedupinitialtrackingspeed.Thesimulationresultsproveeffectivenessofthealgorithmsabove.
KEYWORDS:
activepowerfilter,neuralnetwork,PIcontroller,neuralnetworkrecursiveintegralPIcontrol,iterativecontrol
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目录
目 录
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万方数据
摘 要 I
ABSTRACT III
第1章绪论 1
1.1谐波治理的背景及其意义 1
1.1.1谐波产生的原因 1
1.1.2谐波对电力系统的危害 2
1.2谐波治理的措施 3
1.3有源滤波器的发展概况和研究现状 5
1.4本文的研究背景及各章节安排 8
第2章APF的神经网络PI控制器 9
2.1有源滤波器的基本原理 9
2.2神经网络PI控制器 10
2.2.1神经网络PI控制器的基本结构及工作原理 11
2.2.2神经网络PI控制器算法 13
2.3仿真分析 14
2.4本章小结 21
第3章APF的神经网络递推积分PI控制器 22
3.1混合型APF控制建模 22
3.2神经网络递推积分PI控制器 24
3.2.1递推积分PI控制的原理研究 24
3.2.2神经网络递推积分PI控制器 25
3.2.3神经网络递推积分PI控制算法 25
3.3仿真分析 26
3.4本章小结 33
第4章APF的迭代神经网络递推积分PI控制器 34
4.1混合型APF的拓扑结构分析 34
4.2基于迭代控制的神经网络递推积分PI控制器 35
4.2.1迭代学习控制算法的基本原理 35
4.2.2基于迭代控制的神经网络递推积分PI控制器 37
4.2.3基于迭代控制的神经网络递推积分控制算法的稳态无差特性 38
4.3仿真分析 41
4.4本章小结 48
第5章总结与展望 49
参考文献 51
致 谢 57
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文 58
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图片目录
图片目录
图2-1有源滤波器的基本原理框图 8
图2-2神经网络自适应PI控制器在APF中的应用框图 10
图2-3神经网络的结构图 10
图2-4仿真电路 13
图2-50-0.1S时段的电流对比波形 15
图2-60.06S-0.1S时段的电流对比波形 16
图2-7两种不同控制器的谐波畸变率的对比 17
图3-1单相等效电路 23
图3-20-0.3S时段的电流对比波形 29
图3-30.1S-0.3S时段的电流对比波形 31
图3-4两种不同控制器的谐波畸变率的对比 33
图4-1串联谐振注入式HAPF 34
图4-2并联谐振注入式HAPF 35
图4-3两种控制过程的比较 36
图4-4迭代学习控制的算法流程 37
图4-5迭代控制的神经网络递推积分PI控制器的应用框图 38
图4-6基于迭代控制的神经网络递推积分PI控制算法的闭环控制系统 39
图4-70-0.2S时段的电流对比波形 44
图4-80.06S-0.2S时段的电流对比波形 46
图4-9两种不同控制器的谐波畸变率的对比 48
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万方数据
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第1章
绪论
第1章 绪论
在我国电力工业蓬勃发展、电力负荷急剧增长的同时,非线性负载在配电系统中不断增加,从而对供电系统电能质量造成了严重的污染;另一方面,现代高度自动化和智能化的工业用电设备也对供电系统提出了更高的要求。
因此,如何抑制电网谐波、改善电能质量已成为摆在科技工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题。
1.1谐波治理的背景及其意义
在20世纪20年代和30年代,静止汞弧变流器的使用造成电网电压、电流波形出现畸变的现象就引起了人们的注意。
研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念[1]。
当时最有影响的是RissikH.所著的《TheMercuryArcCurrentConverter》,另一篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是ReadJ.C.在1945年发表的《TheCalculationofRectifierandConverterPerformanceCharacteristics》[2]。
到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的发展,推动了变流器谐波研究的进一步深入。
这一时期发表了许多关于变流器谐波的论文,E.W.Kimbark在其著作中对此进行了详细的总结[3]。
70年代以来,随着电力电子技术的迅猛发展,各种电力电子设备在电力系统、工业部门、家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用[4]。
与此同时,国际上也召开了多次有关谐波问题的学术会议,其中从1984年开始,每两年召开一次的电力系统谐波国际会议(ICHPS)极大地推动了谐波领域的研究和交流,不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标淮规定,同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来[5]。
1.1.1谐波产生的原因
电网中引起谐波的主要因素有各种电力电子装置、变压器、发电机、电弧炉、荧光灯等。
近三、四十年来电力电子装置的广泛应用使得电力电子装置已经取代电力变压器成为配电网中污染最严重、数量最大的谐波源[6]。
这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷,工作于非线性状态,在高效利用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流,给公共电网的电能质量带来了隐患,主要表现为多相环流装置,如冶金和化工企业中的电解装置(非相控或可控型整流桥)、直流电弧炉电源(可控整流桥)、中频和高频感应电炉的电源、电动机调压和调频驱
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万方数据
动的电源即节电器以及各种UPS设备(整流桥和逆变器的复合,可控)[7]。
另外如电视机、电池充电器等低压小容量家用电器装置也会产生谐波,由于其数量众多,它们给供电系统注入的谐波分量不容忽视[8]。
目前很多文献都已指出,上述各种谐波源是谐波电流源,其所产生的谐波电流取决于谐波源本身的特性,基本上与供电网的参数无关[9]。
如大量应用的直流侧为阻感负载的整流电路,其谐波电流是由直流电流和半导体器件切换方式决定的,几乎和交流电压无关。
但是,直流侧为电容滤波的二极管整流电路就不能看成谐波电流源,因其直流侧电压近似为恒值,直流电压通过二极管切换加到交流侧,所以应看成谐波电压源[10]。
在各种家用电器中大量使用的开关电源及变频器中,都广泛采用这种电容整流二极管滤波电路,而谐波电压源和谐波电流源的分析方法和治理方法有很大的不同,必须加以注意进行区分。
公用电网中的谐波产生原因主要和以下两方面有关:
(1)电源本身以及输配电系统产生的谐波[11]。
由于发电机三相绕组在制作上很难做到绝对对称,铁心也很难做到绝对均匀一致等制造和结构上的原因,使得电源在发出基波电势的同时也会产生谐波电势,但由于其值很小,一般在分析电力系统谐波问题时可以忽略。
在输配电系统中则主要是变压器产生谐波,由于其铁芯饱和时,磁化曲线呈非线性,相当于非线性器件,饱和程度越深波形畸变也就越严重,再加上设计时出于经济性考虑,使磁性材料工作在磁化曲线的近饱和区段,从而产生谐波电流。
电源和输配电系统虽然产生谐波,但这两方面产生的谐波所占的比例一般都很小。
(2)电力系统负荷端大量的大功率换流设备和调压装置的广泛应用产生的谐波,如荧光灯、电弧炉、变频设备、家用电器等[12]。
这些用电设备具有非线性特征,即使供给的是标准的正弦波电压,也会产生谐波电流注入系统,给电网造成大量的谐波,甚至会因为参数配置问题使得局部区域产生放大,由用电设备产生的谐波所占比例很大,是电网主要的谐波源。
1.1.2谐波对电力系统的危害
谐波电流和谐波电压的存在,对公用电网造成了很大的污染,破坏了用电设备所处的环境,容易导致一系列的故障和事故,严重威胁着电力系统的安全稳定运行。
谐波的危害是多方面的,主要表现在以下几个方面:
(1)谐波会引起谐振和谐波电流的放大为了补偿负载的无功功率,提高功率因数等,常会在系统中装设各种用途的电容器[13]。
工频下,电容器的容抗比系统的感抗大得多,不会发生谐振。
但当电网存在谐波时,对谐振频率来说,系统感抗大大增加而容抗大大减小,就有可能产生谐振,谐振会使谐波电流放大几倍甚至几十倍,使电容器出现过电流与过负荷,温度增高,易导致电容器等设备被烧
毁。
统计数据显示,在谐波引起的事故中有约75%是电容器和与之串联的电抗器被烧毁[14,15]。
(2)谐波影响系统的稳定运行和电网的供电质量在电力系统中,一般都使用各种继电保护装置和自动控制装置来保证在故障情况下线路与设备的安全,而谐波会对这些装置产生干扰,造成误动或拒动,严重威胁系统的稳定与安全运行[16]。
另外,在三相四线制配电网供电时,由于荧光灯、调光灯、计算机等负载会产生大量的奇次谐波,尤以3次谐波含量较多,使相线上3的整数倍谐波在中性线上叠加,导致中性线上电流超过相电流造成过负荷。
而且,谐波电流的存在,增加了电网中发生谐振的可能性,极易产生很大的过电压和过电流,不仅引发事故,还增加附加损耗,降低供电效率和设备利用率等[17,18]。
(3)谐波影响各种电气设备和电子设备的正常工作如对于电动机会引起附加损耗,降低效率,引起电动机过热,并且当谐波电流频率接近定子等零部件的固有振动频率时,还会使电动机产生强烈的机械振动,发出很大的噪声[19]。
对于电力变压器,谐波会使铜耗、铁耗增大,引起局部过热,使变压器噪声增大。
而且,谐波干扰会产生多个过零问题,影响电子装置和控制电路的正常运行,计算机等工业电子设备的功能也会因为谐波干扰产生失真而遭到破坏[20]。
除此之外,谐波不仅降低电能的生产、传输和利用的效率,而且给供、用电设备的正常运行带来严重的危险;对于电力系统,谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象[21],使谐波含量放大,造成电容器等设备的损坏[22];谐波可以使电气设备产生振动和噪声[23],还可以产生过热现象[24],促使绝缘老化,缩短设备使用寿命,甚至发生故障或烧毁[25];谐波也会对通信设备和电子设备产生严重干扰,电力系统产生的谐波与普通电话线路传输的音频信号及人耳的音频敏感信号相比,在信号频带上具有一定的重叠性,而且二者功率相差悬殊[26]。
可以说,谐波污染是电力电子技术发展的重大障碍。
1.2谐波治理的措施
谐波治理的措施主要有三种:
一是受端治理[27],即从受到谐波影响的设备或系统出发,提高它们抗谐波干扰能力;二是主动治理[28],即从谐波源本身出发,使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波;三是被动治理[29],即外加滤波器,阻碍谐波源产生的谐波注入电网,或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。
目前在治理谐波的措施中,广泛采用的无源滤波器(PPF:
PassivePowerFilter)即属于被动治理的范畴。
无源滤波器是利用电路的谐振原理,即当发生对某次谐波的谐振时,装置对该次谐波形成低阻通路,而达到滤波的目的[30,31]。
在结构上它是由电力电容器,电抗器和电阻器经适当组合而成,按照调谐频率,无源滤波器可分为单调
谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器和C型滤波器等。
运行中与谐波源并联,除起滤波作用外还兼顾无功补偿的需要[32]。
无源滤波器结构简单、造价低,运行费用也低,在吸收高次谐波方面效果明显。
但由于结构原理上的原因,在应用中存在着一些难以克服的缺点:
①抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的谐波效果明显,而对偏离调谐点的谐波无明显效果,而实际工程设计时考虑设计投资又不可能靠增加滤波器的办法解决[33]。
②当系统中谐波电流增大时,或者当接在电网的其他谐波源未采取滤波措施时,其谐波电流可能流入该滤波器中,无源滤波器可能过载,甚至损坏设备[34]。
③滤波效果随系统运行情况而变化,容易受温度漂移、滤波电容老化及非线性负荷变化的影响[35]。
④当系统阻抗和频率变化时,可能与系统发生并联谐振,使装置无法运行,甚至使整个滤波系统无法正常运行[36]。
⑤对于谐波含量丰富的场合,无源滤波器滤波效果往往不够理想[37]。
与无源滤波器相对应的是有源电力滤波器(APF:
ActivePowerFilter)。
有源滤波器的思想最早出现于1969年B.M.Bird和J.F.Marsh的论文中。
文中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波,改善电源电流波形的新方法。
文中所述的方法被认为是有源电力滤波器思想的诞生[38]。
1971年,日本
H.Sasaki和T.Machida完整描述了有源电力滤波器的基本原理。
1976年美国西屋电气公司的L.Gyugyi和E.C.Strycula提出了采用脉冲宽度调制(PWM:
PulseWidth
Modulation)控制的有源电力滤波器,确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法,从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的滤波电流发生器,并讨论了实现方法和相应的控制原理,奠定了有源电力滤波器的基础[39]。
然而,在20世纪70年代由于缺少大功率可关断器件,有源电力滤波器除了少数的实验室研究外,几乎没有任何进展。
进入20世纪80年代以来,新型电力半导体器件的出现,PWM技
术的发展,尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”,以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用,极大地促进了有源电力滤波器的发展[40]。
有源电力滤波器的作用是产生和谐波源谐波电流具有相同幅值而相位相反的补偿电流来达到消除谐波的目的。
与无源滤波器相比,有源电力滤波器是一种主动型的补偿装置,具有较好的动态性能,它具有如下优点:
①对各次谐波均能有效地抑制,且可提高功率因数。
②系统阻抗和频率发生波动时,不会影响补偿效果。
③不会产生谐振现象,且能抑制由于外电路的谐振产生的谐波电流的大小。
④用一台装置就可以实现对各次谐波和基波无功功率的补偿。
⑤不存在过载问题,即当系统中谐波较大时,装置仍可运行。
APF技术最突出的特点在于它使电力电子装置不产生谐波电流和无功,因此无需进行谐波补偿和无功补偿。
无功补偿和谐波抑制始终有着密切的联系,两者的技术发展与进步是相互协调的。
有源滤波器可以克服无源滤波器在实际运行中补偿特性易受电阻抗变化和运行状态影响,与系统发生谐波放大甚至
并联或串联谐振的缺陷。
若将无源滤波器和有源滤波器相结合构成混合滤波器,相互取长补短,兼有两种滤波器的优点,这种方案是谐波抑制方案研究的热点[41,42]。
1.3有源滤波器的发展概况和研究现状
国外有源电力滤波器的研究以日本为代表,已步入大量实用化的阶段。
随着容量的逐步提高,其应用范围也从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。
目前一个应用的新趋势是在供电系统的供电侧装“统一电能质量调节器”,在电力系统的各支路及用户端安装并联型有源电力滤波器。
这样可以从系统端和用户端两个方面抑制和消除供电系统谐波,提高供电质量。
可以说,这是一种综合解决电力系统谐波问题的方法[43]。
我国在有源电力滤波器方面的研究起步较晚,直到1989年才见到这方面研究的文章,1993年才见到试验性的工业应用实验。
近几年进行这方面研究的单位在逐渐增加,主要集中在一些高等院校和少数研究机构。
从发表的文章看,以理论研究和实验为主,这些研究有的已达到或接近国际先进水平。
目前的关键是加快有源电力滤波器在生产实际中的应用,提高实际应用水平。
从近年
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