孔繁鋼，劉強(qiáng)，王冀星，吳新剛

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，浙江杭州 310007；2.北京智芯微電子科技有限公司，北京昌平 102200）

基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的岸電電源智能輸出控制的研究

孔繁鋼1，劉強(qiáng)1，王冀星2，吳新剛2

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，浙江杭州 310007；2.北京智芯微電子科技有限公司，北京昌平 102200）

船舶岸電技術(shù)是指允許裝有特殊設(shè)備的船舶在泊位期間接入碼頭陸地側(cè)電網(wǎng)的技術(shù)。船舶靠港時(shí)直接接用港口碼頭陸上電源，可在很大程度上降低靠港船舶供電系統(tǒng)的運(yùn)行和維護(hù)成本，并提高能源利用效率。對(duì)國(guó)內(nèi)、外港口船舶岸電系統(tǒng)應(yīng)用情況和岸電技術(shù)存在的問題進(jìn)行分析，基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)了一種船舶岸電電源智能輸出控制系統(tǒng)，并分別通過輕載實(shí)驗(yàn)和重載實(shí)驗(yàn)對(duì)該智能輸出控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證，證明其能有效控制船舶岸電電源的輸出。

改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；岸電電源；智能輸出控制

岸電電源是采用IGBT逆變及數(shù)字化技術(shù)，將國(guó)內(nèi)供電電壓380 V/50 Hz的三相電能，轉(zhuǎn)換為電壓440 V/60 Hz及其他制式的大型供電設(shè)備，已廣泛用于船舶制造、遠(yuǎn)洋鉆井平臺(tái)、碼頭等需要由頻率50Hz的工業(yè)用電轉(zhuǎn)換為頻率60 Hz的高質(zhì)量穩(wěn)頻穩(wěn)壓電源來對(duì)船舶用電設(shè)備進(jìn)行供電的場(chǎng)合[1-3]。這些場(chǎng)合對(duì)岸電電源輸出電壓波形的穩(wěn)態(tài)精度、動(dòng)態(tài)性能等要求較高。岸電電源的核心部分是逆變，對(duì)逆變波形進(jìn)行控制是岸電電源提高波形質(zhì)量和帶負(fù)載能力的重要手段。目前在逆變波形控制方有數(shù)字PID控制、雙閉環(huán)控制、狀態(tài)反饋控制、無差拍控制、重復(fù)控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、智能控制等方法[4-7]。

數(shù)字PID控制結(jié)構(gòu)、算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高，但不能無靜差跟蹤正弦指令，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度難以保證。在有些文獻(xiàn)中提出的雙閉環(huán)控制，有著優(yōu)良的動(dòng)、靜態(tài)特性，其進(jìn)行控制時(shí)，既需要有足夠的帶寬，又要有較高的控制速度，這樣無疑給數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn)增大了難度。有文獻(xiàn)提出的狀態(tài)反饋控制能較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)PWM逆變系統(tǒng)極點(diǎn)的優(yōu)化配置，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)瞬時(shí)響應(yīng)也得到了較大改善，其過渡過程的響應(yīng)時(shí)間減少，但它局限于空載或假定阻性負(fù)載[8-10]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中常常需要采取預(yù)先進(jìn)行魯棒性分析或加設(shè)負(fù)載電流前饋補(bǔ)償?shù)却胧?，來防止?fù)載變化導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)偏差和動(dòng)態(tài)特性的改變。有文獻(xiàn)提出的無差拍控制，能大大改善被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，使其動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、動(dòng)態(tài)性能佳，但其采樣和計(jì)算時(shí)間的延遲，使得其開關(guān)單周期占空比受到限制；且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化反應(yīng)敏感，要求被控對(duì)象能提供一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，魯棒性差，負(fù)載擾動(dòng)難以抑制。重復(fù)控制的特點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)特性好、魯棒性強(qiáng)；缺點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，實(shí)時(shí)性差。因此，重復(fù)控制往往通過與其他控制方式組合成復(fù)合控制來提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。滑模變結(jié)構(gòu)控制的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)較優(yōu)良，對(duì)參數(shù)變化和外界干擾有很強(qiáng)的魯棒性，容易采用DSP芯片來實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是逆變輸出電壓諧波含量大。智能控制主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法和模糊控制。相對(duì)傳統(tǒng)控制方式，它的優(yōu)點(diǎn)在于不依賴被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型[11-12]。

本文針對(duì)岸電電源，提出了一種利用PID控制與改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂葡嘟Y(jié)合的復(fù)合控制方法，為逆變輸出波形控制開辟了一條新的路徑。

1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模原理

本文將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部控制引用到逆變器的設(shè)計(jì)中，是對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的拓展，也是文中所述對(duì)其的改進(jìn)。所采用的岸電電源逆變波形復(fù)合控制策略原理圖見圖1，逆變系統(tǒng)工作時(shí)，通過采集到的逆變器輸入輸出數(shù)據(jù)，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始模型（neural network model，NNM），然后通過PID控制來確定最優(yōu)控制量ua（s），使受控對(duì)象的輸出ya（s）能夠很好地跟蹤輸入信號(hào)ra（s）。

圖1中，與逆變器并聯(lián)的NNM為應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)的逆變器模型；逆變器是受控對(duì)象；逆變器輸出與模型輸出之差em（s）是NNM模型誤差反饋信號(hào)。Gf（s）為反饋通道中的濾波器；Gf（s）為輸入通道中的濾波器；ef（s）是em（s）經(jīng)過濾波器Gf（s）濾波后的反饋量；Ua、Ub、Uc為三相逆變器電壓；Ia、Ib、Ic為三相逆變器電感電流；Ioa、Ibo、Ioc為三相逆變器負(fù)載電流；UPID（s）為控制器輸出信號(hào)；dα（s）為干擾噪聲，Kp、K1、Kd為PID控制器的參數(shù)值。由于β相和α相上的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模控制器完全相同，所以只介紹α相控制器的設(shè)計(jì)。

圖1 岸電電源逆變輸出波形復(fù)合控制策略原理圖Fig.1 The principle diagram of the com posite control strategy of the inverter outputwaveform of the shore power supply

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部模型的建立 假定被控對(duì)象a相逆變器是單輸入單輸出非線性離散時(shí)間系統(tǒng)，則有

式中：d（k）為干擾噪聲；{u（k）}，{y（k+1}）}是階次分別為m，n的輸入、輸出時(shí)間序列。采用3層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來建立內(nèi)部模型。假定網(wǎng)絡(luò)輸入層節(jié)點(diǎn)與隱含層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)值為ωij，閾值為θij；隱含層節(jié)點(diǎn)與輸出層節(jié)點(diǎn)間的權(quán)值為ωil，閾值為θil；其中j為輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)，i為隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)，l為輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)，期望輸出為y（k），實(shí)際對(duì)象輸出為ym（k）；輸入層的輸入、輸出樣本長(zhǎng)度為N，則輸入層輸入為

隱層輸入為

隱層輸出為

輸出層輸入為

輸出層輸出為

NNM的訓(xùn)練性能指標(biāo)函數(shù)（含誤差能量總和）可以表示為

網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值修正公式為

在其基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)出改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)估器，本文在此處不再做詳細(xì)介紹。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所述的控制策略的有效性，在浙江寧波港口進(jìn)行了3 MV·A岸電電能替代項(xiàng)目測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)由輕載和重載2部分組成，實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果如下所示。

2.1 輕載測(cè)試

輕載待測(cè)電機(jī)參數(shù)如表1所示。

表1 輕載待測(cè)電機(jī)額定參數(shù)Tab.1 The rated parameters of themotor to be measured for light load test

測(cè)試步驟：

1）送前級(jí)10 kV高壓，預(yù)充開關(guān)柜接地刀閘打到試驗(yàn)位置；

2）變頻電源二次預(yù)充上高壓電完成；

3）變頻電源啟動(dòng)，輸出6 kV/50 Hz；

4）合閘變頻電源出線斷路器，帶電機(jī)直接啟動(dòng)。

啟動(dòng)波形數(shù)據(jù)如圖2所示，其中2通道表示輸出電流；3通道表示U相輸出電壓采樣測(cè)試點(diǎn)。

圖2 250 kW電機(jī)直投輸出電壓和輸出電流Fig.2 The output voltage and output current of the 250 kW motor directly connected

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠看出250 kW電機(jī)直接投切時(shí)，變頻電源輸出電壓指標(biāo)正常。

2.2 重載測(cè)試數(shù)據(jù)

重載測(cè)試負(fù)載箱額定參數(shù)如表2所示。

表2 重載測(cè)試負(fù)載箱額定參數(shù)Tab.2 The rated parameters of the load box for heavy load test

測(cè)試基本步驟：

1）送前級(jí)10 kV高壓，預(yù)充開關(guān)柜接地刀閘打到試驗(yàn)位置；

2）變頻電源二次預(yù)充上高壓電完成；

3）變頻電源輸出側(cè)開關(guān)柜合閘、負(fù)載箱側(cè)控制降壓變壓器的接觸器合閘；

4）變頻電源啟動(dòng)，輸出6.6 kV/60 Hz；

5）逐步加載、減載測(cè)試，最大功率輸出2 400 kW，功率因數(shù)0.8。

加載減載過程：

1）突加200 kW，逐步加載至2 400 kW，功率因數(shù)0.8，視在功率3MV·A；

2）突加400 kW，逐步加載至2 400 kW，功率因數(shù)0.8，視在功率3MV·A；

3）過載20%測(cè)試1min，負(fù)載功率2 880 kW。

測(cè)試波形數(shù)據(jù)記錄如圖3和圖4所示，其中1通道表示U相輸出電壓采樣測(cè)試點(diǎn)；2通道表示V相輸出電壓采樣測(cè)試點(diǎn)；3通道表示U相輸出電流；4通道表示W(wǎng)相輸出電流。

圖3 輸出功率2 400 kW時(shí)變頻電源輸出電壓和輸出電流波形Fig.3 Thewaveform s of the output voltage and output current of the variable frequency power supply when the output power is 2 400 kW

圖4 200 kW加載過程Fig.4 200 kW loading process

通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能夠看出輸出功率2 400 kW時(shí)變頻電源輸出電壓和輸出電流波形指標(biāo)正常。

綜合輕載實(shí)驗(yàn)和重載實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，可以看出本文所設(shè)計(jì)的船舶岸電電源智能輸出控制系統(tǒng)能有效控制船舶岸電電源的輸出。

3 結(jié)語

本文對(duì)國(guó)內(nèi)、外港口船舶岸電系統(tǒng)應(yīng)用情況和岸電技術(shù)存在的問題進(jìn)行分析，基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)了一種船舶岸電電源智能輸出控制系統(tǒng)，并分別通過輕載實(shí)驗(yàn)和重載實(shí)驗(yàn)對(duì)該智能輸出控制系統(tǒng)的功能進(jìn)行了驗(yàn)證?？偟貋碚f，基于改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂婆cPID控制的復(fù)合波形控制策略結(jié)構(gòu)清晰，能很好地應(yīng)用于岸電電源逆變輸出波形控制。

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Intelligent Output Controlof Shore Power Supp ly Based on Im proved BP Neural Network A lgorithm

KONG Fangang1，LIU Qiang1，WANG Jixing2，WU Xingang2
（1.State Grid Zhejiang Electric Power Company，Hangzhou 310007，Zhejiang，China；2.Beijing Smartchip Microelectronics Technology Company Limited，Changping 102200，Beijing，China）

Ship shore power technology refers to the technology that allows the ship to be equipped with special equipment to be connected to the power grid of the land side of the terminal during the berth.When the ship is directly connected with the onshore power supply，the operation and maintenance cost of the power supply system of the ship can be reduced to a large extent，and the efficiency of energy utilization be improved.This paper looks into the current port power system application both at home and abroad，and analyzes the existing problems of the shore power technology.A ship shore power output power supply intelligent control system is designed based on the internal model controller of the improved BP neural network algorithm.The function of the intelligent output control system is verified by the light load test and the heavy load experiment.

improved BP neural network algorithm；shore power supply；intelligentoutput control

2016-11-04。

孔繁鋼（1958—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、輸配電方面研究與實(shí)踐；

（編輯 張曉娟）

國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目資助（智能用電港口關(guān)鍵技術(shù)研究項(xiàng)目號(hào)5211011400AZ）。

Project Supported by the Science and Technology Project of SGCC（Research on the Key Technology of Intelligent Portpower NO：5211011400AZ）.

1674-3814（2017）02-0064-04

TM57

A

劉 強(qiáng)（1974—），男，碩士，高級(jí)工程師，從事智能電網(wǎng)方面的研究與實(shí)踐。