基于PSO-FUZZY控制的UPQC并聯(lián)側(cè)信號(hào)檢測(cè)算法研究

沈 虹，張

（1. 燕山大學(xué) 電氣工程學(xué)院，秦皇島 066004；2. 河北省電力電子節(jié)能與傳動(dòng)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004）

0 引言

隨著非線性電力電子器件、裝置和沖擊性、波動(dòng)性負(fù)荷在現(xiàn)代工業(yè)中的廣泛應(yīng)用以及各種復(fù)雜、精密、對(duì)電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備的不斷普及，人們對(duì)電能質(zhì)量要求越來(lái)越高，既要防止非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的污染，又面臨如何向負(fù)荷提供高質(zhì)量的電能的問(wèn)題。日本學(xué)者H.Akagi在1996年首次提出統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(Unified Power Quality Conditioner — UPQC)的概念，結(jié)合了并聯(lián)型補(bǔ)償裝置和串聯(lián)型補(bǔ)償裝置的功能，不但可以補(bǔ)償諧波電流、無(wú)功、三相不平衡，而且可以補(bǔ)償諧波電壓，抑制電壓跌落，提高供電可靠性，被公認(rèn)為是極有發(fā)展前途的一種新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置[5~8]。UPQC的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

一種性能優(yōu)良的UPQC裝置，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)的信號(hào)檢測(cè)是關(guān)鍵的一步。建立在矢量變換基礎(chǔ)上的瞬時(shí)無(wú)功理論檢測(cè)方法在有源濾波技術(shù)中最常用，以之為基礎(chǔ)的一系列改進(jìn)檢測(cè)方法也隨之出現(xiàn)[9~13]。針對(duì)其多次的坐標(biāo)變換計(jì)算和低通濾波器的精確度不高的問(wèn)題，本文提出基于PSO- FUZZY控制的信號(hào)檢測(cè)算法進(jìn)行電壓補(bǔ)償及無(wú)功、諧波電流檢測(cè)，省卻了原有的矢量變換和低通濾波環(huán)節(jié)，具有計(jì)算簡(jiǎn)潔、檢測(cè)精度高、補(bǔ)償效果好的特點(diǎn)。

粒子群優(yōu)化 (Particle Swarm Optimization—PSO)是一種基于群智能的全局優(yōu)化方法，能夠在復(fù)雜空間中實(shí)施有效搜索[14~16]。而模糊控制作為一種智能控制方式，其最大優(yōu)點(diǎn)就是不依賴(lài)于精確的數(shù)學(xué)模型，針對(duì)非線性和大時(shí)滯系統(tǒng)具有良好的控制特性。將粒子群優(yōu)化與模糊控制相結(jié)合，利用粒子群優(yōu)化模糊控制器的比例因子和量化因子可以克服以往模糊控制器參數(shù)選取主要依靠專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)，避免較大的主觀性無(wú)法獲得全局最優(yōu)的不足。

1 信號(hào)檢測(cè)

已知標(biāo)準(zhǔn)正弦電壓ura與基波無(wú)功電流iq和諧波電流ih之和的乘積在一個(gè)基波周期區(qū)間上的積分為零，即

而負(fù)載電流iL包含基波有功電流ip，基波無(wú)功電流和諧波電流，即

由此可推出并聯(lián)側(cè)諧波電流的檢測(cè)算法。該算法的原理是：

圖2 基于粒子群優(yōu)化的模糊控制器結(jié)構(gòu)

2 粒子群優(yōu)化模糊控制器

2.1 粒子群算法

粒子群優(yōu)化算法是從鳥(niǎo)群的捕食行為中受到啟發(fā)并用于解決優(yōu)化問(wèn)題的。在粒子群優(yōu)化算法中，每個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的解都是d維目標(biāo)搜索空間中的一個(gè)粒子，共有m個(gè)粒子組成一個(gè)群體。每個(gè)粒子性能的優(yōu)劣程度取決于待優(yōu)化問(wèn)題目標(biāo)函數(shù)確定的適應(yīng)值 (Fitness Value)，每個(gè)粒子由一個(gè)速度決定其飛行的方向和速率的大小，粒子們追隨當(dāng)前的最優(yōu)粒子在解空間中進(jìn)行搜索。粒子群初始化為一群隨機(jī)粒子(隨機(jī)解)，然后通過(guò)迭代找到最優(yōu)解。其中，在第t次迭代時(shí)粒子i的位置可以表示為Xi(t)=(Xi1(t), Xi2(t),…, Xid(t))，該粒子的飛行速度可以表示為Vi(t)=(Vi1(t), Vi2(t),…, Vid(t))。在每一次迭代過(guò)程中，粒子通過(guò)跟蹤兩個(gè)“極值”來(lái)更新自己的速度和位置。第一個(gè)就是粒子本身所找到的最優(yōu)解，這個(gè)解叫做個(gè)體極值pBest，可以表示為Pi(t)=(Pi1(t), Pi2(t),…, Pid(t))；另一個(gè)極值是整個(gè)種群目前找到的最優(yōu)解，這個(gè)極值是全局極值gBest，可以表示為Pg(t)=(Pg1(t), Pg2(t),…, Pgd(t))。

在第t+1次迭代計(jì)算時(shí)，粒子i根據(jù)下列規(guī)則來(lái)更新自己的速度和位置。

其中，ω為慣性權(quán)重，調(diào)整其值可以改變搜索范圍和搜索速度；c1，c2為學(xué)習(xí)因子，是非負(fù)常數(shù)；r1，r2為[0，1]之間的一個(gè)兩個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)，k=1，2，…，d。

為避免粒子在全局最優(yōu)解附近“振蕩”的現(xiàn)象，ω由最大慣性權(quán)重ωmax線性減小到最小慣性權(quán)重ωmax。即

其中，k為當(dāng)前迭代數(shù)；kmax為總迭代數(shù)。

2.2 基于粒子群優(yōu)化模糊控制器

在UPQC運(yùn)行暫態(tài)過(guò)程中，PSO及時(shí)更新優(yōu)化模糊控制器的3個(gè)參數(shù)，具體步驟如下 ：

1）首先將整個(gè)解空間分成若干區(qū)域，對(duì)每個(gè)區(qū)域的速度和位置 ，賦初值，初值在允許范圍內(nèi)隨機(jī)產(chǎn)生，此時(shí)個(gè)體極值pBest就是初始位置的值；而全局極值gBest為若干區(qū)域中使得e最小的個(gè)體極值。同時(shí)，該個(gè)體極值所在的區(qū)域號(hào)被記錄下來(lái)。

2）將初值帶入式(7)、(8)中得到新的位置和速度，并檢驗(yàn)適度函數(shù)minθi(e)，找到新的個(gè)體極值，并與全局極值比較，若新的個(gè)體極值比上一次的全局極值更優(yōu)，則替換為新的全局極值。

3）以此類(lèi)推，粒子在空間不斷變異尋找最優(yōu)解，每一次的迭代，慣性權(quán)重都是變化的。直到該粒子滿足目標(biāo)函數(shù)，程序中止，此時(shí)粒子所在的位置就是模糊控制器3個(gè)參數(shù)量化因子ke，kec和比例因子ku的最優(yōu)值。否則，程序回到步驟(2)，繼續(xù)尋找。

3 仿真分析

在相同系統(tǒng)參數(shù)條件下，將提出的基于PSOFUZZY信號(hào)檢測(cè)算法與廣泛應(yīng)用的基于瞬時(shí)無(wú)功理論的ip-iq法進(jìn)行MATLAB對(duì)比仿真分析。系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

圖3 仿真模型

系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 UPQC電路參數(shù)

PSO算法采用S-函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)，其參數(shù)設(shè)置如下：種群總數(shù)為50，每個(gè)粒子的維數(shù)為3，c1=c2=2，ωmax=0.95，ωmax=0.1。

圖4(a)、(b)為帶非線性負(fù)載情況下，補(bǔ)償前電源電流及其頻譜。

圖4 補(bǔ)償前波形A相電源電流(A)及頻譜(THD=26.13%)

圖5 采用不同檢測(cè)算法的仿真結(jié)果

圖5(a)、(b)分別為采用ip-iq法和本文提出的PSO-FUZZY信號(hào)檢測(cè)算法仿真獲得的A相電源電流及其頻譜。(c)為電網(wǎng)電壓在0.3s~0.35s時(shí)產(chǎn)生閃變，采用PSO-FUZZY信號(hào)檢測(cè)算法獲得的電源電流波形及頻譜。

對(duì)比仿真結(jié)果，仿真波形及總諧波畸變量（THD）均表明建立在矢量變換基礎(chǔ)上的瞬時(shí)無(wú)功理論檢測(cè)方法ip-iq法能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)功和諧波的補(bǔ)償，而基于PSO-FUZZY的信號(hào)檢測(cè)算法在補(bǔ)償電壓電流諧波以及電壓閃變方面更具有良好的動(dòng)態(tài)性能和補(bǔ)償效果。

4 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證基于PSO-FUZZY信號(hào)檢測(cè)算法的可行性和有效性，在實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。電路參數(shù)與仿真模型中設(shè)置的參數(shù)相同。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖6所示。

圖6 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

UPQC補(bǔ)償前實(shí)驗(yàn)波形及數(shù)據(jù)如圖7所示。(a)為電源電流波形，(b)為具體數(shù)據(jù)。

圖7 UPQC補(bǔ)償前電源電流波形和數(shù)據(jù)

UPQC補(bǔ)償后實(shí)驗(yàn)波形及數(shù)據(jù)如圖8所示。(a)為電源電流波形，(b)為具體數(shù)據(jù)。

圖8 UPQC補(bǔ)償前后電網(wǎng)電流及功率測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)論

系統(tǒng)仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用基于PSOFUZZY信號(hào)檢測(cè)算法的UPQC能有效地補(bǔ)償非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波。

1）其摒棄了通常采用的矢量變換和低通濾波環(huán)節(jié)，控制思路清晰，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)潔。

2）同傳統(tǒng)的瞬時(shí)無(wú)功理論檢測(cè)方法相比，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果更好。

3）檢測(cè)算法中采用的基于粒子群優(yōu)化模糊控制器，體現(xiàn)了模糊控制不依賴(lài)精確的數(shù)學(xué)模型及粒子群全局尋優(yōu)的智能控制特性。

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