應用于電力濾波器的逆變器開(kāi)關(guān)規律研究

0 引言

逆變技術(shù)能夠實(shí)現直流電能到交流電能的轉換，能使風(fēng)能、太陽(yáng)能等直流電能轉換到可以為廣大用戶(hù)使用的交流電能。近些年來(lái)由于電力電子器件的飛速發(fā)展使得逆變技術(shù)在變頻裝置、交流電機傳動(dòng)、不間斷電源、有源濾波器等更多場(chǎng)合得到了廣泛的應用。

有源濾波器是利用諧波對消原理來(lái)消除諧波的，即有源濾波器首先檢測出負載電流中的諧波分量，然后通過(guò)某種控制策略使逆變電路產(chǎn)生一個(gè)與其大小相等而相位相反的電流，并將其注入到電網(wǎng)中，以抵消負載電流中的諧波分量。所以，諧波檢測電路的性能對于有源濾波器的補償效果起著(zhù)至關(guān)重

要的影響。

無(wú)論是何種控制策略，其目的都是通過(guò)控制電力電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)通與關(guān)斷來(lái)實(shí)現逆變器輸出電流接近理想參考電流波形，使其與參考波形最接近的目的。本文提出用遺傳算法來(lái)研究逆變器的控制規律，使之能降低諧波畸變率和減小逆變器的電力電子器件開(kāi)關(guān)損耗，從而達到接近最優(yōu)的控制效果。

1 逆變器主電路

圖1 為一單相全橋逆變電路。如圖所示電路包含電容C、電感L、全控型開(kāi)關(guān)器件K1~K4。當開(kāi)關(guān)K1、K4導通，K2、K3關(guān)斷時(shí)，逆變器輸出電壓為u0=E;

當開(kāi)關(guān)K2、K3導通，K1、K4關(guān)斷時(shí)，逆變器輸出電壓為u0=-E。狀態(tài)矢量可表示為

2 控制策略理論

2.1 遺傳算法基本理論

遺傳算法[3]是基于生物學(xué)界進(jìn)化和遺傳機理衍生出的一種自適應全局尋優(yōu)算法。遺傳算法以其簡(jiǎn)單、通用、魯棒性強和適于并行分布處理等特點(diǎn)，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到應用。遺傳算法是一種群體型操作，選擇、交叉和變異是遺傳算法的三個(gè)主要操作算子，它們構成了遺傳操作。遺傳算法中包含了如下五個(gè)基本要素：參數編碼;初始群體的設定;適應度函數的設計;遺傳操作設計;控制參數設定。在工程中有許多復雜組合的優(yōu)化問(wèn)題，這些問(wèn)題大多數是非線(xiàn)性的，有些甚至不連續，還有的有多個(gè)最優(yōu)解，因此用常規的數學(xué)優(yōu)化方法無(wú)法有效地求解，只能對問(wèn)題做簡(jiǎn)化的處理。由于遺傳算法不依賴(lài)于問(wèn)題本身，只要求問(wèn)題是可解的，無(wú)連續性及可微性等要求，適應范圍廣，且能找到近乎全局最優(yōu)的解，所以在解決這些優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，遺傳算法非常適用。

2.2 誤差函數

這里逆變器輸出電流函數以分段函數描述，將1/4電氣周期n 等分，每一開(kāi)關(guān)狀態(tài)變量作用時(shí)間為駐t。

2.3 適應度函數

基于遺傳算法的控制策略可以進(jìn)行多個(gè)目標的優(yōu)化。多數情況下各個(gè)子目標可能是互相沖突的，一個(gè)子目標的改善會(huì )使另一個(gè)子目標性能降低，使各子目標同時(shí)達到各自最優(yōu)解是很困難的，因此只有在它們中間進(jìn)行協(xié)調和折中處理，使各個(gè)子目標函數都盡可能優(yōu)化。目前解決多目標優(yōu)化問(wèn)題有權重系數變化法、并列選擇法[5]、排序選擇法等求解方法[5]。

本文采用了權重系數法，給各個(gè)子目標函數賦予不同的權重，代表相應子目標在多目標優(yōu)化問(wèn)題中的重要程度。再以這個(gè)線(xiàn)形性加權和作為多目標優(yōu)化問(wèn)題的評價(jià)函數，這樣多目標優(yōu)化問(wèn)題就轉化為單目標優(yōu)化問(wèn)題來(lái)求解。

本文采用權重系數法建立的多目標優(yōu)化函數為

3 仿真分析

仿真實(shí)驗的算法程序用C 語(yǔ)言編寫(xiě)，并建立MATLAB 的接口，使結果可視化。仿真實(shí)驗參數設置：參考電流幅值IA=3 A，頻率f =50 Hz，逆變器電容兩端電壓E越220 V，將1/4 電氣周期100 等分，即n=100，每個(gè)開(kāi)關(guān)量作用時(shí)間為

圖2(a)表示開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量經(jīng)過(guò)第1代進(jìn)化后的最優(yōu)結果，用其控制逆變電路的開(kāi)關(guān)器件所得實(shí)際輸出波形如圖3所示，可見(jiàn)與參考標準正弦波相差甚遠。圖2(b)表示開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量經(jīng)過(guò)30代進(jìn)化后的最優(yōu)結果，逆變電路輸出波形如圖4 所示，雖然與標準正弦波還有差距，但對比第1 代結果發(fā)現其差距已明顯減小。圖2(c)表示達到遺傳運算終止條件，即

到第100代進(jìn)化后，開(kāi)關(guān)狀態(tài)矢量的最優(yōu)結果。逆變電路輸出波形如圖5所示，與參考標準正弦波非常接近，進(jìn)化效果明顯，可以作為最優(yōu)輸出波形了。

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