基于遺傳算法的有源電力濾波器滑?？刂?/h1>
2016-04-10 06:35:41張棟梁謝業(yè)華
電力系統(tǒng)保護與控制 2016年5期 關(guān)鍵詞：優(yōu)化
張棟梁，謝業(yè)華，劉 娟，黃 開
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基于遺傳算法的有源電力濾波器滑?？刂?/p>
張棟梁，謝業(yè)華，劉 娟，黃 開
(中國礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇 徐州 221008)
為改善滑?？刂品绞接性措娏V波器在高頻處抖動的缺陷，提出用遺傳算法對控制器參數(shù)進行優(yōu)化，提高了控制器性能。簡要說明了三相三線有源電力濾波器的工作原理，根據(jù)補償電流和指令電流的誤差構(gòu)建滑模變結(jié)構(gòu)控制器。詳細給出了用遺傳算法對控制器參數(shù)的優(yōu)化過程，得到了控制器參數(shù)的確切值。通過對傳統(tǒng)PI控制方式和優(yōu)化后滑模控制方式進行仿真實驗，結(jié)果表明，所提出的滑?？刂品绞巾憫?yīng)速度快，算法簡單，較好地抑制抖動，魯棒性強，達到了優(yōu)化的目的。
有源電力濾波器；滑?？刂?；遺傳算法；參數(shù)優(yōu)化；魯棒性
0 引言
隨著供電系統(tǒng)越來越復(fù)雜，各種電力電子裝置被廣泛應(yīng)用，在低壓配電網(wǎng)中電能質(zhì)量問題日益突出，給電力設(shè)備正常運行帶來了嚴重的影響。電能質(zhì)量問題主要包括：電壓閃變、三相不平衡和電流畸變等問題。營造一個“綠色”電網(wǎng)是十分必要的，一方面使電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行，另一方面可以保障用電設(shè)備正常工作[1]。并聯(lián)型有源電力濾波器(APF)利用PWM整流器拓撲結(jié)構(gòu)，具有電流源特性，向電網(wǎng)注入補償電流，以減小電源電流的畸變率，既能有效抑制諧波電流，還能起到無功補償?shù)哪康?，使網(wǎng)側(cè)電流呈現(xiàn)正弦波[2]。諧波檢測方法和電流控制策略，決定了APF抑制諧波電流效果的好壞。滯環(huán)控制方式、三角波控制方式、無差拍控制方式、空間矢量調(diào)制等，是目前常用的電流控制方法。滯環(huán)控制中，開關(guān)頻率要隨著電網(wǎng)電壓峰值波動進行相應(yīng)的波動。無差拍控制對系統(tǒng)模型的精確性要求高，在擾動下穩(wěn)定性差。三角載波控制受到電力電子器件開關(guān)頻率的限制，在高頻段，控制性能低?？臻g矢量調(diào)制控制策略能保證電流的穩(wěn)定性，但也存在控制算法復(fù)雜、運算時間長、系統(tǒng)實時性低等缺點[3]。
滑?？刂颇軌蚋櫹到y(tǒng)狀態(tài)，對系統(tǒng)參數(shù)變化和擾動不靈敏，穩(wěn)定性好，響應(yīng)快速。有源濾波器的主電路為電壓型逆變器，通過控制開關(guān)器件的通斷來控制電流的方向，其結(jié)構(gòu)本身不斷變化。基于上述特點，滑模控制在有源濾波器中能得到很好的應(yīng)用[4]。
本文在并聯(lián)有源電力濾波器時域分析的基礎(chǔ)上，建立了滑?？刂破髂Ｐ?。在建立好的模型基礎(chǔ)上用改進的遺傳算法對控制器進行參數(shù)優(yōu)化。與經(jīng)典雙閉環(huán)矢量控制相比，仿真實驗波形表明，改進后滑模控制器能獲得更好的穩(wěn)態(tài)性能和動態(tài)性能。
1 APF基本結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型
忽略線路阻抗，對理想并聯(lián)型三相有源電力濾波器進行研究，建立時域下的數(shù)學(xué)模型。其結(jié)構(gòu)原理如圖1。
圖1 APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
設(shè)單極性二值邏輯開關(guān)函數(shù)為
在三相靜止坐標下，基于基爾霍夫電壓定律寫出系統(tǒng)方程：
(2)
對于一個三相對稱系統(tǒng)，有：
聯(lián)立式(1)—式(3)，可以得到
(4)
2 滑?？刂破髟O(shè)計
設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制包括兩個相對的部分：1) 設(shè)計合適的滑模面，產(chǎn)生穩(wěn)定的滑模動態(tài)；2) 設(shè)計控制函數(shù)，在切換面上形成滑動模態(tài)區(qū)，使正常接近段的運動品質(zhì)得到提高。函數(shù)和一旦設(shè)計好，就能建立起滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)[6]。
在三相對稱系統(tǒng)中，取a相進行分析。令狀態(tài)變量：
可得狀態(tài)方程為
(6)
式中，為常數(shù)。
由可達性條件
(9)
推導(dǎo)出：
(10)
推導(dǎo)出控制函數(shù)參數(shù)應(yīng)滿足：
3 遺傳算法優(yōu)化控制器參數(shù)
在理想的情況下，滑?？刂频臓顟B(tài)點才會沿著滑模面滑動。一般在建模時，高頻部分被忽略。開關(guān)切換容易引起系統(tǒng)抖動，抖動可能進一步激發(fā)在建模中被忽略的高頻動態(tài)。高頻抖動會對傳感器造成影響，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞或者控制失穩(wěn)。本文通過遺傳算法對滑模控制器參數(shù)進行優(yōu)化確定，理論性強，減少傳統(tǒng)試湊法確定參數(shù)花費的時間，提高效率，對控制效果也有提升。
3.1 遺傳算法的優(yōu)點
與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法相比，遺傳算法具有收斂性好，計算時間少，魯棒性好等優(yōu)點，在工程研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該算法搜索空間大，全局搜索能力強，可以快速得出全體解，搜索過程不易陷入局部最優(yōu)解的快速下降陷阱[7]。
3.2 遺傳算法的構(gòu)造與改進
適應(yīng)度函數(shù)值大的個體將有更多的機會生成新種群，得到函數(shù)值的最大解，然而電流控制器參數(shù)優(yōu)化是尋找目標函數(shù)的極小值[8]。因此在個體適應(yīng)度為時，構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)。為了取得最優(yōu)的動態(tài)特性，將電流誤差絕對值對時間的積分定義為目標函數(shù)，根據(jù)目標函數(shù)的最小值來選擇參數(shù)。定義目標函數(shù)
本文結(jié)合退火算法，將適應(yīng)度函數(shù)適當擴展，在后期增大個體間差異，避免產(chǎn)生過早收斂，解決遺傳算法在局部搜索能力方面的不足。該算法采用如下的拉伸方法。
(14)
遺傳算法能夠很好地維持搜索深度和搜索廣度之間的平衡。選擇機制來深度搜索積累的信息，遺傳算子來廣度搜索解空間中新的區(qū)域。
對于選擇機制，本文將競爭選擇和輪盤賭選擇結(jié)合，將高適應(yīng)度的染色體進行繁殖，然后采用輪盤賭選出染色體對，將其中具有高適應(yīng)值的個體帶入新種群，直到滿足新種群數(shù)量為止。隨算法運行精英個體數(shù)量得以保證，在提高收斂速度的同時能有效防止算法陷入局部最優(yōu)[9]。
遺傳算子包括交叉算子和變異算子。交叉算子的性能很大程度上決定了遺傳系統(tǒng)性能，將種群中個體的每個字符都作為潛在的交叉點進行選擇[10]。而變異算子通常被用作次要算子，能改善遺傳算法的局部搜索能力[11]。
3.3 控制器設(shè)計結(jié)果
取30個樣本，式(15)中30為進化代數(shù)；0.8為交叉算子；0.1為變異算子。
測試函數(shù)經(jīng)過30代遺傳后，仿真結(jié)果如圖2所示。仿真結(jié)果顯示在經(jīng)過遺傳算法30代迭代后，在(4.9989,4.9865)處取得函數(shù)最小值-25.6876，也就是最大適應(yīng)度，非常接近全局最優(yōu)解的理論值，表明構(gòu)造的遺傳算法是可行的。
圖2 測試函數(shù)仿真結(jié)果
4 實驗分析
4.1 系統(tǒng)仿真
對三相并聯(lián)型APF進行Matlab/Simulink仿真實驗。實驗條件為：電網(wǎng)線電壓380 V，=50 Hz；交流側(cè)電感a=b=c=20 mH；取三相整流電路為非線性負載，電阻=15 Ω，電感=3 mH。在控制參數(shù)相似的條件下將基于遺傳算法的滑?？刂破骱蛡鹘y(tǒng)的PI控制進行實驗驗證，分析其動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)性能。以A相電流為例，仿真實驗負載電流波形及頻譜分析如圖3，負載電流中含有大量次諧波，總的諧波畸變率()為28.83%。
使用滑?？刂茣r，并聯(lián)型有源濾波器動態(tài)性能明顯改善，而且也取得了良好的補償性能，跟蹤性能好，電流毛刺比較小。系統(tǒng)穩(wěn)定時，網(wǎng)側(cè)電流接近理想正弦波形，滑?？刂凭哂忻黠@的優(yōu)越性。
圖4是傳統(tǒng)PI控制方式和基于遺傳算法優(yōu)化后的滑?？刂品绞窖a償后的電源電流波形，從波形的對比中可以看出，兩種控制方式均可實現(xiàn)諧波電流補償功能。傳統(tǒng)PI控制方式在波峰與波谷電流變化率較小的點抖振現(xiàn)象嚴重，高次諧波大，波峰處最大抖振幅值達0.5 A，補償后電源波形仍存在較明顯畸變；而基于遺傳算法優(yōu)化后的滑?？刂品绞皆诓ǚ逄幾畲蠖墩穹敌∮?.2 A，有效削弱了抖振，補償后電流波形正弦度較高。
圖4 兩種方式控制A相電源電流波形對比
圖5所示為兩種方案補償后電源電流頻譜分析。傳統(tǒng)PI控制方式為4.58%，優(yōu)化后的滑?？刂品绞綖?.36%，均達到國標要求。但在相同條件下，后者補償后電流低次諧波含量少，能有效降低畸變率，補償效果更優(yōu)。
圖5 兩種方法控制A相電源電流頻譜對比
采用優(yōu)化后的滑?？刂品绞礁櫻a償諧波電流，在0.1 s時刻負載突變，補償后的電源電流如圖6所示，新的控制方式也能保證較快的動態(tài)響應(yīng)。
圖6 負載突變優(yōu)化后的滑?？刂品绞降腁相電源電流波形
4.2 實驗驗證
為驗證設(shè)計效果，以實驗室低壓三相并聯(lián)型有源電力濾波器試驗臺為基礎(chǔ)，以TMS320F28335為主控芯片，開關(guān)頻率為10 kHz，實驗主要參數(shù)和仿真參數(shù)基本相同。圖7為A相負載電流波形與采用遺傳算法優(yōu)化的滑模變結(jié)構(gòu)控制后的A相電源電流波形，補償后近似成正弦波，證明所設(shè)計控制器對于諧波有較好的跟蹤補償效果[12]。
圖7 A相負載電流波形與補償后A相電源電流波形
為驗證控制器動態(tài)性能，系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)負載突變。如圖8所示，結(jié)果與仿真分析相同，系統(tǒng)經(jīng)過短暫的波動后即進入新的穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)過程中電流未出現(xiàn)突變，控制效果較優(yōu)。
圖8 突變負載A相電流波形與補償后A相電源電流波形
從實驗結(jié)果看出，采用優(yōu)化后的滑?？刂茣r，并聯(lián)型有源濾波器動態(tài)性能明顯改善，而且也取得了良好的補償性能，跟蹤性能好，電流毛刺比較小。系統(tǒng)穩(wěn)定時，網(wǎng)側(cè)電流接近理想正弦波形。
5 結(jié)論
為改善有源電力濾波器在高頻處抖動、系統(tǒng)響應(yīng)時間以及抗擾動性能，本文提出一種基于遺傳算法的滑?？刂品绞接性措娏V波器。運用遺傳算法對控制器進行參數(shù)優(yōu)化，理論性強，彌補了滑模控制參數(shù)試湊費時費力的缺陷。傳統(tǒng)PI控制器與優(yōu)化后的滑?？刂破鞯膶Ρ葘嶒灡砻?，優(yōu)化后的滑?？刂破鞲軡M足有源電力濾波器在快速性、魯棒性方面的要求。所提出的控制策略是可行的，具有較好的理論和實用價值。
[1] 王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.
[2] 劉建華, 朱蓓蓓, 張亞健, 等. 有源電力濾波器相電流互感器容錯控制[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(20): 90-96.
LIU Jianhua, ZHU Beibei, ZHANG Yajian, et al. Fault-tolerant control of phase current transformer for active power filter[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(20): 90-96.
[3] 王玲, 馮宇, 邱進, 等. 電壓互感器諧波特性測量用可控諧波電壓源的構(gòu)建[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(16): 106-111.
WANG Ling, FENG Yu, QIU Jin, et al. Construction of controllable harmonic voltage source for harmonic characteristic measurement[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(16): 106-111.
[4] 高為炳. 變結(jié)構(gòu)控制的理論及設(shè)計方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1998.
[5] 王燁, 牟憲民, 齊琛. 三相電流源型STATCOM的無鎖相環(huán)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(14): 131-136.
WANG Ye, MU Xianmin, QI Chen. A control strategy of three-phase current source converter based STATCOM without PLL[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(14): 131-136.
[6] 曹武, 劉康禮, 趙劍鋒. 有源濾波輸出限幅的需求分析和實現(xiàn)策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(14): 405-411.
CAO Wu, LIU Kangli, ZHAO Jianfeng. The analysis of the conditions in which APF need output-limitation and its implementation scheme[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 405-411.
[7] 王文, 羅安, 黎燕. 三相四開關(guān)并聯(lián)有源電力濾波器的控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(10): 183-190.
WANG Wen, LUO An, LI Yan. Control method of three-phase four-switch shunt active power filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(10): 183-190.
[8] 李錳, 王志剛, 王寅, 等. 無諧波檢測環(huán)節(jié)的并聯(lián)型有源電力濾波器研究[J]. 高壓電器, 2014, 50(10): 22-28.
LI Meng, WANG Zhigang, WANG Yin, et al. Shunt active power filter based on non-harmonic detection technology[J].High Voltage Apparatus, 2014, 50(10): 22-28.
[9] 侯睿, 武健, 徐殿國. 并聯(lián)有源濾波器LCL濾波器特性分析及設(shè)計方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(10): 191-198.
HOU Rui, WU Jian, XU Dianguo.Characteristics and design methods of LCL filter in shunt active power filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(10): 191-198.
[10] KIM Y J, AHN S J, HWANG P I, et al. Coordinated control of a DG and voltage control devices using a dynamic programming algorithm[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(1): 42-51.
[11] 王亮, 王志新, 陸斌鋒, 等. 基于LCL濾波器的單相光伏并網(wǎng)逆變控制器設(shè)計[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2014, 30(12): 114-118.
WANG Liang, WANG Zhixin, LU Binfeng, et al. Design of the controller of the single phase PV grid-connected inverter with LCL filter[J].Power System and Clean Energy, 2014, 30(12): 114-118.
[12] 游力, 陶騫, 代少君, 等. 一種應(yīng)用于高壓系統(tǒng)的有源電力濾波器的研究[J]. 電力電子技術(shù), 2013, 47(9): 52-54.
YOU Li, TAO Qian, DAI Shaojun, et al. Research on the active power filter applied into high-voltage system[J]. Power Electronics, 2013, 47(9): 52-54.
(編輯 周金梅)
Sliding mode control of active power filters based on genetic algorithm
ZHANG Dongliang, XIE Yehua, LIU Juan, HUANG Kai
(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)
The parameters of the controller are optimized by genetic algorithm, in order to improve the control method of active power filter in defects at the high frequency chattering of the sliding mode and the controller performance. The principle of three-phase three wire active power filter is introduced and the design of the optimization of controller parameters of genetic algorithm is analyzed in detail. The exact values of the parameters of the controller are achieved. According to the error of the compensation current and instruction current, sliding mode variable structure controller is obtained. Though the simulation of experiment of the traditional PI control method and the optimized sliding mode control, the results demonstrate that the proposed method can obtain quick response, simple algorithm and better jitter suppression and robustness. This work is supported by Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No. BK20130187).
active power filter; sliding mode control; genetic algorithm;parameter optimization;robustness
10.7667/PSPC150764
江蘇省自然科學(xué)基金青年基金(BK20130187)
2015-05-08；
2015-11-05
張棟梁(1974-)，男，博士,副教授，研究方向為電氣安全、電能質(zhì)量控制及有源濾波器等；謝業(yè)華(1989-)，男，通信作者，碩士在讀，研究方向為電能質(zhì)量；E-mail: 969460929@qq.com 劉娟(1989-)，女，碩士在讀，研究方向為電氣安全和城市軌道交通研究。
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有源電力濾波器；滑?？刂?；遺傳算法；參數(shù)優(yōu)化；魯棒性
0 引言
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圖1 APF系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
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(2)
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(4)
2 滑?？刂破髟O(shè)計
設(shè)計滑模變結(jié)構(gòu)控制包括兩個相對的部分：1) 設(shè)計合適的滑模面，產(chǎn)生穩(wěn)定的滑模動態(tài)；2) 設(shè)計控制函數(shù)，在切換面上形成滑動模態(tài)區(qū)，使正常接近段的運動品質(zhì)得到提高。函數(shù)和一旦設(shè)計好，就能建立起滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)[6]。
在三相對稱系統(tǒng)中，取a相進行分析。令狀態(tài)變量：
可得狀態(tài)方程為
(6)
式中，為常數(shù)。
由可達性條件
(9)
推導(dǎo)出：
(10)
推導(dǎo)出控制函數(shù)參數(shù)應(yīng)滿足：
3 遺傳算法優(yōu)化控制器參數(shù)
在理想的情況下，滑?？刂频臓顟B(tài)點才會沿著滑模面滑動。一般在建模時，高頻部分被忽略。開關(guān)切換容易引起系統(tǒng)抖動，抖動可能進一步激發(fā)在建模中被忽略的高頻動態(tài)。高頻抖動會對傳感器造成影響，造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)破壞或者控制失穩(wěn)。本文通過遺傳算法對滑模控制器參數(shù)進行優(yōu)化確定，理論性強，減少傳統(tǒng)試湊法確定參數(shù)花費的時間，提高效率，對控制效果也有提升。
3.1 遺傳算法的優(yōu)點
與傳統(tǒng)的優(yōu)化方法相比，遺傳算法具有收斂性好，計算時間少，魯棒性好等優(yōu)點，在工程研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。該算法搜索空間大，全局搜索能力強，可以快速得出全體解，搜索過程不易陷入局部最優(yōu)解的快速下降陷阱[7]。
3.2 遺傳算法的構(gòu)造與改進
適應(yīng)度函數(shù)值大的個體將有更多的機會生成新種群，得到函數(shù)值的最大解，然而電流控制器參數(shù)優(yōu)化是尋找目標函數(shù)的極小值[8]。因此在個體適應(yīng)度為時，構(gòu)造適應(yīng)度函數(shù)。為了取得最優(yōu)的動態(tài)特性，將電流誤差絕對值對時間的積分定義為目標函數(shù)，根據(jù)目標函數(shù)的最小值來選擇參數(shù)。定義目標函數(shù)
本文結(jié)合退火算法，將適應(yīng)度函數(shù)適當擴展，在后期增大個體間差異，避免產(chǎn)生過早收斂，解決遺傳算法在局部搜索能力方面的不足。該算法采用如下的拉伸方法。
(14)
遺傳算法能夠很好地維持搜索深度和搜索廣度之間的平衡。選擇機制來深度搜索積累的信息，遺傳算子來廣度搜索解空間中新的區(qū)域。
對于選擇機制，本文將競爭選擇和輪盤賭選擇結(jié)合，將高適應(yīng)度的染色體進行繁殖，然后采用輪盤賭選出染色體對，將其中具有高適應(yīng)值的個體帶入新種群，直到滿足新種群數(shù)量為止。隨算法運行精英個體數(shù)量得以保證，在提高收斂速度的同時能有效防止算法陷入局部最優(yōu)[9]。
遺傳算子包括交叉算子和變異算子。交叉算子的性能很大程度上決定了遺傳系統(tǒng)性能，將種群中個體的每個字符都作為潛在的交叉點進行選擇[10]。而變異算子通常被用作次要算子，能改善遺傳算法的局部搜索能力[11]。
3.3 控制器設(shè)計結(jié)果
取30個樣本，式(15)中30為進化代數(shù)；0.8為交叉算子；0.1為變異算子。
測試函數(shù)經(jīng)過30代遺傳后，仿真結(jié)果如圖2所示。仿真結(jié)果顯示在經(jīng)過遺傳算法30代迭代后，在(4.9989,4.9865)處取得函數(shù)最小值-25.6876，也就是最大適應(yīng)度，非常接近全局最優(yōu)解的理論值，表明構(gòu)造的遺傳算法是可行的。
圖2 測試函數(shù)仿真結(jié)果
4 實驗分析
4.1 系統(tǒng)仿真
對三相并聯(lián)型APF進行Matlab/Simulink仿真實驗。實驗條件為：電網(wǎng)線電壓380 V，=50 Hz；交流側(cè)電感a=b=c=20 mH；取三相整流電路為非線性負載，電阻=15 Ω，電感=3 mH。在控制參數(shù)相似的條件下將基于遺傳算法的滑?？刂破骱蛡鹘y(tǒng)的PI控制進行實驗驗證，分析其動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)性能。以A相電流為例，仿真實驗負載電流波形及頻譜分析如圖3，負載電流中含有大量次諧波，總的諧波畸變率()為28.83%。
使用滑?？刂茣r，并聯(lián)型有源濾波器動態(tài)性能明顯改善，而且也取得了良好的補償性能，跟蹤性能好，電流毛刺比較小。系統(tǒng)穩(wěn)定時，網(wǎng)側(cè)電流接近理想正弦波形，滑?？刂凭哂忻黠@的優(yōu)越性。
圖4是傳統(tǒng)PI控制方式和基于遺傳算法優(yōu)化后的滑?？刂品绞窖a償后的電源電流波形，從波形的對比中可以看出，兩種控制方式均可實現(xiàn)諧波電流補償功能。傳統(tǒng)PI控制方式在波峰與波谷電流變化率較小的點抖振現(xiàn)象嚴重，高次諧波大，波峰處最大抖振幅值達0.5 A，補償后電源波形仍存在較明顯畸變；而基于遺傳算法優(yōu)化后的滑?？刂品绞皆诓ǚ逄幾畲蠖墩穹敌∮?.2 A，有效削弱了抖振，補償后電流波形正弦度較高。
圖4 兩種方式控制A相電源電流波形對比
圖5所示為兩種方案補償后電源電流頻譜分析。傳統(tǒng)PI控制方式為4.58%，優(yōu)化后的滑?？刂品绞綖?.36%，均達到國標要求。但在相同條件下，后者補償后電流低次諧波含量少，能有效降低畸變率，補償效果更優(yōu)。
圖5 兩種方法控制A相電源電流頻譜對比
采用優(yōu)化后的滑?？刂品绞礁櫻a償諧波電流，在0.1 s時刻負載突變，補償后的電源電流如圖6所示，新的控制方式也能保證較快的動態(tài)響應(yīng)。
圖6 負載突變優(yōu)化后的滑?？刂品绞降腁相電源電流波形
4.2 實驗驗證
為驗證設(shè)計效果，以實驗室低壓三相并聯(lián)型有源電力濾波器試驗臺為基礎(chǔ)，以TMS320F28335為主控芯片，開關(guān)頻率為10 kHz，實驗主要參數(shù)和仿真參數(shù)基本相同。圖7為A相負載電流波形與采用遺傳算法優(yōu)化的滑模變結(jié)構(gòu)控制后的A相電源電流波形，補償后近似成正弦波，證明所設(shè)計控制器對于諧波有較好的跟蹤補償效果[12]。
圖7 A相負載電流波形與補償后A相電源電流波形
為驗證控制器動態(tài)性能，系統(tǒng)運行過程中出現(xiàn)負載突變。如圖8所示，結(jié)果與仿真分析相同，系統(tǒng)經(jīng)過短暫的波動后即進入新的穩(wěn)態(tài)，暫態(tài)過程中電流未出現(xiàn)突變，控制效果較優(yōu)。
圖8 突變負載A相電流波形與補償后A相電源電流波形
從實驗結(jié)果看出，采用優(yōu)化后的滑?？刂茣r，并聯(lián)型有源濾波器動態(tài)性能明顯改善，而且也取得了良好的補償性能，跟蹤性能好，電流毛刺比較小。系統(tǒng)穩(wěn)定時，網(wǎng)側(cè)電流接近理想正弦波形。
5 結(jié)論
為改善有源電力濾波器在高頻處抖動、系統(tǒng)響應(yīng)時間以及抗擾動性能，本文提出一種基于遺傳算法的滑?？刂品绞接性措娏V波器。運用遺傳算法對控制器進行參數(shù)優(yōu)化，理論性強，彌補了滑模控制參數(shù)試湊費時費力的缺陷。傳統(tǒng)PI控制器與優(yōu)化后的滑?？刂破鞯膶Ρ葘嶒灡砻?，優(yōu)化后的滑?？刂破鞲軡M足有源電力濾波器在快速性、魯棒性方面的要求。所提出的控制策略是可行的，具有較好的理論和實用價值。
[1] 王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2005.
[2] 劉建華, 朱蓓蓓, 張亞健, 等. 有源電力濾波器相電流互感器容錯控制[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(20): 90-96.
LIU Jianhua, ZHU Beibei, ZHANG Yajian, et al. Fault-tolerant control of phase current transformer for active power filter[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(20): 90-96.
[3] 王玲, 馮宇, 邱進, 等. 電壓互感器諧波特性測量用可控諧波電壓源的構(gòu)建[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(16): 106-111.
WANG Ling, FENG Yu, QIU Jin, et al. Construction of controllable harmonic voltage source for harmonic characteristic measurement[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(16): 106-111.
[4] 高為炳. 變結(jié)構(gòu)控制的理論及設(shè)計方法[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 1998.
[5] 王燁, 牟憲民, 齊琛. 三相電流源型STATCOM的無鎖相環(huán)控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(14): 131-136.
WANG Ye, MU Xianmin, QI Chen. A control strategy of three-phase current source converter based STATCOM without PLL[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(14): 131-136.
[6] 曹武, 劉康禮, 趙劍鋒. 有源濾波輸出限幅的需求分析和實現(xiàn)策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(14): 405-411.
CAO Wu, LIU Kangli, ZHAO Jianfeng. The analysis of the conditions in which APF need output-limitation and its implementation scheme[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 405-411.
[7] 王文, 羅安, 黎燕. 三相四開關(guān)并聯(lián)有源電力濾波器的控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(10): 183-190.
WANG Wen, LUO An, LI Yan. Control method of three-phase four-switch shunt active power filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(10): 183-190.
[8] 李錳, 王志剛, 王寅, 等. 無諧波檢測環(huán)節(jié)的并聯(lián)型有源電力濾波器研究[J]. 高壓電器, 2014, 50(10): 22-28.
LI Meng, WANG Zhigang, WANG Yin, et al. Shunt active power filter based on non-harmonic detection technology[J].High Voltage Apparatus, 2014, 50(10): 22-28.
[9] 侯睿, 武健, 徐殿國. 并聯(lián)有源濾波器LCL濾波器特性分析及設(shè)計方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2014, 29(10): 191-198.
HOU Rui, WU Jian, XU Dianguo.Characteristics and design methods of LCL filter in shunt active power filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(10): 191-198.
[10] KIM Y J, AHN S J, HWANG P I, et al. Coordinated control of a DG and voltage control devices using a dynamic programming algorithm[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 2013, 28(1): 42-51.
[11] 王亮, 王志新, 陸斌鋒, 等. 基于LCL濾波器的單相光伏并網(wǎng)逆變控制器設(shè)計[J]. 電網(wǎng)與清潔能源, 2014, 30(12): 114-118.
WANG Liang, WANG Zhixin, LU Binfeng, et al. Design of the controller of the single phase PV grid-connected inverter with LCL filter[J].Power System and Clean Energy, 2014, 30(12): 114-118.
[12] 游力, 陶騫, 代少君, 等. 一種應(yīng)用于高壓系統(tǒng)的有源電力濾波器的研究[J]. 電力電子技術(shù), 2013, 47(9): 52-54.
YOU Li, TAO Qian, DAI Shaojun, et al. Research on the active power filter applied into high-voltage system[J]. Power Electronics, 2013, 47(9): 52-54.
(編輯 周金梅)
Sliding mode control of active power filters based on genetic algorithm
ZHANG Dongliang, XIE Yehua, LIU Juan, HUANG Kai
(School of Information and Electrical Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221008, China)
The parameters of the controller are optimized by genetic algorithm, in order to improve the control method of active power filter in defects at the high frequency chattering of the sliding mode and the controller performance. The principle of three-phase three wire active power filter is introduced and the design of the optimization of controller parameters of genetic algorithm is analyzed in detail. The exact values of the parameters of the controller are achieved. According to the error of the compensation current and instruction current, sliding mode variable structure controller is obtained. Though the simulation of experiment of the traditional PI control method and the optimized sliding mode control, the results demonstrate that the proposed method can obtain quick response, simple algorithm and better jitter suppression and robustness. This work is supported by Natural Science Foundation of Jiangsu Province (No. BK20130187).
active power filter; sliding mode control; genetic algorithm;parameter optimization;robustness
10.7667/PSPC150764
江蘇省自然科學(xué)基金青年基金(BK20130187)
2015-05-08；
2015-11-05
張棟梁(1974-)，男，博士,副教授，研究方向為電氣安全、電能質(zhì)量控制及有源濾波器等；謝業(yè)華(1989-)，男，通信作者，碩士在讀，研究方向為電能質(zhì)量；E-mail: 969460929@qq.com 劉娟(1989-)，女，碩士在讀，研究方向為電氣安全和城市軌道交通研究。
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