艦船電力電子設(shè)備在線阻抗建模方法

劉建濤，閻毓杰

(1．海裝沈陽(yáng)局，遼寧 沈陽(yáng) 110031;2．武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

艦船電力電子設(shè)備在線阻抗建模方法

劉建濤1，閻毓杰2

(1．海裝沈陽(yáng)局，遼寧 沈陽(yáng) 110031;2．武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

從二端口網(wǎng)絡(luò)分析出發(fā)，設(shè)計(jì)一種基于差分方式的在線阻抗測(cè)試方法。運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法，提出一種阻抗等效電路參數(shù)的提取算法，由此建立在線阻抗等效電路模型。應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)了電力電子設(shè)備阻抗的在線工程測(cè)量，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果表明基于該建模方法所獲得的阻抗等效電路能準(zhǔn)確反映設(shè)備在線運(yùn)行的阻抗特征。

電磁兼容;艦船;電力電子設(shè)備;在線阻抗;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

0 引言

電力電子設(shè)備的電磁模型是開(kāi)展艦船電磁兼容工程設(shè)計(jì)的重要基礎(chǔ)［1］，它主要包括了船用典型設(shè)備的電磁發(fā)射、等效電路以及線纜的傳輸參數(shù)等。這些參數(shù)的獲取往往依賴于設(shè)備的阻抗模型，其模型建立的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到對(duì)設(shè)備電磁敏感度的分析，以至影響系統(tǒng)、總體的電磁兼容性設(shè)計(jì)［2］。在船用電力電子設(shè)備中，除發(fā)電機(jī)外，電力變壓器、電力線路、電容器及電抗器等均為無(wú)源設(shè)備，它們均可以用RLC三種基本電路元件及其組合來(lái)等值。若能獲取每個(gè)元件的等值電路參數(shù)，運(yùn)用電路分析理論構(gòu)建設(shè)備的等效阻抗模型，將能有效分析艦船電力電子設(shè)備的諸多特性。

阻抗分析通常多采用測(cè)量的方法［3］，主要有電橋法、諧振法和伏安法等。電橋法利用電橋平衡原理來(lái)測(cè)量元件阻抗，主要用于標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量;諧振法是通過(guò)產(chǎn)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振來(lái)測(cè)量電抗值;伏安法則根據(jù)待測(cè)元件兩端電壓和電流相量來(lái)確定元件性質(zhì)和參數(shù)。盡管這些方法都具有測(cè)量簡(jiǎn)便和準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)，但從工程應(yīng)用的角度來(lái)看，它們還存在一定的缺點(diǎn)。由于設(shè)備的阻抗受外界環(huán)境和自身工作條件狀態(tài)的影響，只有在線實(shí)時(shí)測(cè)量才能反映真實(shí)參數(shù)。而上述方法均難以實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，參考文獻(xiàn)［4］雖然提出了變壓器短路電抗的在線測(cè)量方法，但不具備通用性。此外，對(duì)于設(shè)備在線阻抗的等效電路參數(shù)數(shù)值的獲取一直以來(lái)也是難題，如何通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法獲取全局最優(yōu)的解是其關(guān)鍵［5］。

1 基于差分方式的在線阻抗測(cè)試方法

船上電力電子設(shè)備往往處在同一電網(wǎng)內(nèi)，容易發(fā)生共用電源的電磁干擾。對(duì)電磁兼容的分析設(shè)計(jì)有賴于系統(tǒng)設(shè)備阻抗的RLC電路模型，它們均可以用R，L，C三種基本電路元件及其組合來(lái)等值。若能獲取每個(gè)元件的等值電路參數(shù)，就可運(yùn)用電路分析理論來(lái)分析電網(wǎng)產(chǎn)生的電磁干擾影響。

通常，船上電力電子設(shè)備阻抗可以等值為1個(gè)由R，L，C組成的電網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)電容器、電抗器、用電設(shè)備、電力線路及雙繞組變壓器等可以等值為二端口網(wǎng)絡(luò)［6］。

如圖1所示，一個(gè)2端口線性無(wú)源網(wǎng)絡(luò)通常用3種基本電路參數(shù)的組合來(lái)表示，即電阻R，電抗X和電納B的串并聯(lián)組合。

圖1 二端口等值網(wǎng)絡(luò)Fig.1 Two-port equivalent network

由于設(shè)備的阻抗受外界環(huán)境和自身工作條件的影響，只有在線實(shí)時(shí)測(cè)量才能反映設(shè)備運(yùn)行的真實(shí)工況，所獲取該工況下設(shè)備電路模型的R，L，C參數(shù)才是可靠有效的。通過(guò)改進(jìn)伏安法的測(cè)量方式，在線采集設(shè)備阻抗的幅頻與相頻特征，構(gòu)建如圖2所示的設(shè)備阻抗在線測(cè)試系統(tǒng)。

圖2 設(shè)備阻抗在線測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 The online measurement system of equipment's impedance

根據(jù)船上火線和零線都是浮地的特征，通過(guò)差分方式的電壓取樣電路獲得設(shè)備的電壓頻譜;通過(guò)電流取樣電路獲得設(shè)備的電流(由電壓經(jīng)串聯(lián)電阻換算)頻譜，經(jīng)計(jì)算可獲得阻抗幅頻曲線與相頻曲線。

2 阻抗等效電路參數(shù)的提取算法

從電路阻抗特性出發(fā)，若其相頻特征主要呈現(xiàn)感性，則采用圖3(a)所示的串聯(lián)電路結(jié)構(gòu)模型;若主要呈現(xiàn)容性，則采用圖3(b)所示的并聯(lián)電路結(jié)構(gòu)模型。

有學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)[10-12]，由于利用數(shù)字化方法制作，印模無(wú)實(shí)體模型，可切削瓷塊顏色較為單一，技工無(wú)法實(shí)現(xiàn)在模型上堆加飾瓷，只能依靠外染色調(diào)節(jié)修復(fù)體顏色，所以在顏色匹配方面的滿意度仍有欠缺，這也是使用數(shù)字化方法修復(fù)前牙缺損所面臨的比較大的挑戰(zhàn)。

圖3 RLC等效電路結(jié)構(gòu)Fig.3 The equivalent RLC circuit structure

圖3(a)所示的串聯(lián)模型其阻抗表達(dá)式為二階形式：

圖3(b)所示的并聯(lián)模型其阻抗表達(dá)式為三階形式：

選取具有代表性的m個(gè)頻點(diǎn)上的阻抗幅值和相位值，代入上述模型表達(dá)式：

通過(guò)高階矩陣迭代的方式，采用合適的數(shù)學(xué)優(yōu)化算法，可以逐步逼近即可獲得R，L，C的最優(yōu)值。

利用Hopfield人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［7］的方法來(lái)求解。將其轉(zhuǎn)換為優(yōu)化計(jì)算問(wèn)題的思想是：首先把優(yōu)化的問(wèn)題映射到一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特定組態(tài)上，此組態(tài)相應(yīng)于優(yōu)化問(wèn)題的可能解;然后構(gòu)造一個(gè)適合于待優(yōu)化問(wèn)題的能量函數(shù)E，E正比于優(yōu)化問(wèn)題的代價(jià)函數(shù)。

假設(shè)選擇R，L，C這3個(gè)參數(shù)在解空間上排列，每個(gè)參數(shù)針對(duì)不同頻點(diǎn)而產(chǎn)生M個(gè)量值，則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)使用3 M個(gè)神經(jīng)元，并且這些神經(jīng)元按M行3列排列1個(gè)3 M矩陣(稱為置換矩陣)，用V表示。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，此矩陣滿足如下條件：每列中有且只有1個(gè)神經(jīng)元的輸出為1，其余神經(jīng)元的輸出為0，表示每個(gè)參數(shù)只能被使用1次;每行中有不定數(shù)目神經(jīng)元的輸出為1，其他神經(jīng)元輸出為0，表示不同的參數(shù)可以有相同的排樣方式。

根據(jù)拉格朗日乘子法構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的能量函數(shù)，將有約束的目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非約束問(wèn)題。能量函數(shù)為

式中：x和y為每個(gè)參數(shù)在解空間的具體位置;Vxi為置換矩陣中(x，i)單元的值;fov為參數(shù)i解空間的面積;fhv為解空間的補(bǔ)集的面積。A，B，D為正數(shù)，第1項(xiàng)為約束項(xiàng)，該項(xiàng)為0當(dāng)且僅當(dāng)每1列中只有1個(gè)神經(jīng)元的輸出為1，表示每個(gè)參數(shù)只能被使用1次且確保僅使用3個(gè)參數(shù);第2項(xiàng)為約束項(xiàng)，該項(xiàng)為0時(shí)，表示參數(shù)解空間的重疊面積為0;第3項(xiàng)為優(yōu)化項(xiàng)，保證解空間搜索效率最高。

使用Hopfield神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行迭代運(yùn)算，對(duì)各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)穩(wěn)定時(shí)，得到各參數(shù)的最佳取值。算法的具體步驟如下：

1)初始化，t=0(t為迭代次數(shù));

2)計(jì)算學(xué)習(xí)率η(t)及j*鄰域大小;

3)計(jì)算能量函數(shù)的值;

4)計(jì)算神經(jīng)元?jiǎng)討B(tài)方程，更新神經(jīng)元狀態(tài);

5)若相鄰2次能量函數(shù)差小于給定值，如果輸出解合法，則輸出優(yōu)化后的結(jié)果，計(jì)算結(jié)束;如果輸出解不合法，且迭代次數(shù)小于給定值，轉(zhuǎn)步驟3)，否則計(jì)算失敗。迭代運(yùn)算的流程見(jiàn)圖4。

圖4 阻抗等效電路參數(shù)的提取算法流程圖Fig.4 The flow of extraction algorithm for the parameters of the impedance equivalent circuit

3 仿真分析

為考察上述方法的可行性與正確性，將某典型開(kāi)關(guān)類設(shè)備在滿載運(yùn)行工況下，依照本文提出的基于差分方式的在線阻抗測(cè)試方法，獲得該設(shè)備在10 kHz～1 MHz范圍的阻抗幅頻曲線與相頻曲線，如圖5所示。

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，采用串聯(lián)模型進(jìn)行仿真分析，運(yùn)用前面提出的阻抗等效電路參數(shù)的提取算法獲取設(shè)備在線等效電路參數(shù)。在進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化計(jì)算時(shí)，設(shè)置基本運(yùn)行參數(shù)如下：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最大迭代次數(shù)為10 000;學(xué)習(xí)率η=1/(t+1);每次迭代中鄰域減小為上次的一半;能量函數(shù)E參數(shù)A=0.5，B=0.8，D=0.5;R，L，C的初始值均設(shè)為0.005。利用優(yōu)化結(jié)果建立該設(shè)備阻抗的等效RLC電路模型如圖6所示。對(duì)上述等效RLC電路模型仿真，得到其阻抗的幅頻與相頻曲線如圖7所示。

將圖7仿真結(jié)果與圖5試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，可以得到如下結(jié)論：

1)經(jīng)數(shù)值仿真建立的某典型設(shè)備阻抗的幅頻與相頻曲線與實(shí)測(cè)結(jié)果的變化趨勢(shì)完全一致。這表明本文所提出的基于差分方式的在線阻抗測(cè)試方法及其阻抗等效電路參數(shù)的提取算法是合理可行的。

2)仿真與實(shí)測(cè)數(shù)值誤差在10 dB以下，這表明本文建立的阻抗等效電路參數(shù)的提取算法能較為準(zhǔn)確反映設(shè)備在線運(yùn)行的阻抗特征。

3)數(shù)值優(yōu)化計(jì)算仿真中每次更換不同的初始值，發(fā)現(xiàn)最終獲取的優(yōu)化參數(shù)結(jié)果都是一致的，主要由于該算法是通過(guò)反復(fù)訓(xùn)練來(lái)確定網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和各種參數(shù)，具有全局搜索能力。

4)從仿真計(jì)算過(guò)程來(lái)看，無(wú)論從定性分析還是運(yùn)行過(guò)程中的數(shù)值分析方面，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)混合算法在搜索能力、優(yōu)化效率、魯棒性和多樣性等方面都具有明顯的優(yōu)越性;且能在很短的時(shí)間內(nèi)較精確地尋找到問(wèn)題的近似最優(yōu)解。

4 結(jié)語(yǔ)

獲取設(shè)備的在線阻抗特征是艦船電磁兼容工程設(shè)計(jì)中開(kāi)展電力電子設(shè)備的電磁模型研究的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文從二端口網(wǎng)絡(luò)分析出發(fā)，利用船上火線、零線都是浮地的特征，設(shè)計(jì)一種基于差分方式的在線阻抗測(cè)試方法。運(yùn)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方法，提出了一種阻抗等效電路參數(shù)的提取算法，由此建立在線阻抗等效電路模型。應(yīng)用該方法實(shí)現(xiàn)了電力電子設(shè)備阻抗的在線工程測(cè)量，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果表明，基于該建模方法所獲得的阻抗等效電路能準(zhǔn)確反映設(shè)備在線運(yùn)行的阻抗特征。

［1］畢季明，黃小華．海軍艦船電磁兼容控制技術(shù)與措施［J］．艦船電子工程，2007，27(2)：201－203．

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［3］金龍，顧菊平，胡敏強(qiáng)．阻抗自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研究與應(yīng)用［J］．電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2005，9(4)：299－302．

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［7］呂亭亭，陳力，王凱．基于Hopfield網(wǎng)絡(luò)的PID在直流伺服電機(jī)中的應(yīng)用［J］．軟件，2011，32(3)：95－97．

The online impedance model of electric power and electronic equipment in ship

LIU Jian-tao1，YAN Yu-jie2
(1．Shenyang Military Representative Bureau of Navy Equipment Department，Shenyang 110031，China;2．Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

A difference based measurement method of the online impedance in equipment is formulated with the method of two-port electric network analysis．The extraction algorithm for the parameters of the impedance equivalent circuit is proposed with Hopfield artificial neural networks，which helps to formulate the online impedance equivalent circuit model．This method is also applied to measure the online impedance of the electric power and electronic equipment in ship．The testing and simulation results show that the impedance equivalent circuit model based on the proposed method could exactly reflect the impedance characteristic of online running．

EMC;ship;electric power and electronic equipment;online impedance;artificial neural networks

TM93

A

1672－7649(2012)07－0068－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.014

2011－08－08;

2011－09－15

劉建濤(1978－)，男，工程師，專業(yè)領(lǐng)域?yàn)樗曤娮庸こ獭?/p>