0 引言

逆變技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)直流電能到交流電能的轉(zhuǎn)換，能使風(fēng)能、太陽能等直流電能轉(zhuǎn)換到可以為廣大用戶使用的交流電能。近些年來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(jī)傳動、不間斷電源、有源濾波器等更多場合得到了廣泛的應(yīng)用。

有源濾波器是利用諧波對消原理來消除諧波的，即有源濾波器首先檢測出負(fù)載電流中的諧波分量，然后通過某種控制策略使逆變電路產(chǎn)生一個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(fù)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(bǔ)償效果起著至關(guān)重

要的影響。

無論是何種控制策略，其目的都是通過控制電力電子開關(guān)的開通與關(guān)斷來實現(xiàn)逆變器輸出電流接近理想?yún)⒖茧娏鞑ㄐ?，使其與參考波形最接近的目的。本文提出用遺傳算法來研究逆變器的控制規(guī)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關(guān)損耗，從而達(dá)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、全控型開關(guān)器件K1~K4。當(dāng)開關(guān)K1、K4導(dǎo)通，K2、K3關(guān)斷時，逆變器輸出電壓為u0=E;

當(dāng)開關(guān)K2、K3導(dǎo)通，K1、K4關(guān)斷時，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(jī)理衍生出的一種自適應(yīng)全局尋優(yōu)算法。遺傳算法以其簡單、通用、魯棒性強(qiáng)和適于并行分布處理等特點，已經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到應(yīng)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主要操作算子，它們構(gòu)成了遺傳操作。遺傳算法中包含了如下五個基本要素：參數(shù)編碼;初始群體的設(shè)定;適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計;遺傳操作設(shè)計;控制參數(shù)設(shè)定。在工程中有許多復(fù)雜組合的優(yōu)化問題，這些問題大多數(shù)是非線性的，有些甚至不連續(xù)，還有的有多個最優(yōu)解，因此用常規(guī)的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法無法有效地求解，只能對問題做簡化的處理。由于遺傳算法不依賴于問題本身，只要求問題是可解的，無連續(xù)性及可微性等要求，適應(yīng)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)化問題時，遺傳算法非常適用。

2.2 誤差函數(shù)

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

2.3 適應(yīng)度函數(shù)

基于遺傳算法的控制策略可以進(jìn)行多個目標(biāo)的優(yōu)化。多數(shù)情況下各個子目標(biāo)可能是互相沖突的，一個子目標(biāo)的改善會使另一個子目標(biāo)性能降低，使各子目標(biāo)同時達(dá)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(diào)和折中處理，使各個子目標(biāo)函數(shù)都盡可能優(yōu)化。目前解決多目標(biāo)優(yōu)化問題有權(quán)重系數(shù)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(quán)重系數(shù)法，給各個子目標(biāo)函數(shù)賦予不同的權(quán)重，代表相應(yīng)子目標(biāo)在多目標(biāo)優(yōu)化問題中的重要程度。再以這個線形性加權(quán)和作為多目標(biāo)優(yōu)化問題的評價函數(shù)，這樣多目標(biāo)優(yōu)化問題就轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題來求解。

本文采用權(quán)重系數(shù)法建立的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為

3 仿真分析

仿真實驗的算法程序用C 語言編寫，并建立MATLAB 的接口，使結(jié)果可視化。仿真實驗參數(shù)設(shè)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，每個開關(guān)量作用時間為

圖2(a)表示開關(guān)狀態(tài)矢量經(jīng)過第1代進(jìn)化后的最優(yōu)結(jié)果，用其控制逆變電路的開關(guān)器件所得實際輸出波形如圖3所示，可見與參考標(biāo)準(zhǔn)正弦波相差甚遠(yuǎn)。圖2(b)表示開關(guān)狀態(tài)矢量經(jīng)過30代進(jìn)化后的最優(yōu)結(jié)果，逆變電路輸出波形如圖4 所示，雖然與標(biāo)準(zhǔn)正弦波還有差距，但對比第1 代結(jié)果發(fā)現(xiàn)其差距已明顯減小。圖2(c)表示達(dá)到遺傳運(yùn)算終止條件，即

到第100代進(jìn)化后，開關(guān)狀態(tài)矢量的最優(yōu)結(jié)果。逆變電路輸出波形如圖5所示，與參考標(biāo)準(zhǔn)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。

4 實際應(yīng)用

如圖6所示為一單相有源電力濾波器原理圖。這種有源電力濾波器是為解決用戶端供電系統(tǒng)中存在的電能質(zhì)量問題而設(shè)計的。它利用PWM逆變器產(chǎn)生與電網(wǎng)中諧波電流大小相等、方向相反的波形，以達(dá)到改善電能質(zhì)量的目的。

從主電路原理圖可以看出，DSP 控制系統(tǒng)必須能從電源電流中實時檢測出其中的諧波電流，并根據(jù)免疫遺傳算法實時計算出最優(yōu)開關(guān)控制序列，再控制PWM 變流器實時產(chǎn)生一個補(bǔ)償電流。

在同一硬件環(huán)境下，對比兩種控制策略控制的輸出，可以看出遺傳算法的優(yōu)越性。圖7(a)所示為常規(guī)控制策略時的電流波形，圖7(b)為經(jīng)過遺傳算法得出的最優(yōu)開關(guān)序列所發(fā)出的電流波形。圖8為對兩種實測波形的分析結(jié)果。圖8(a)所示為常規(guī)方法下電流波形的諧波分析，可以得出電流總諧波畸變率為1.663%。圖8(b)所示為遺傳算法得出電流波形的諧波分析，電流總諧波畸變率為1.103%，較前者減小33.7%。

如圖9 所示為該有源濾波裝置的控制器電路板。以此控制器為核心的有源濾波裝置已成功應(yīng)用于電氣化鐵路單相27.5 kV系統(tǒng)，長期運(yùn)行證明裝置穩(wěn)定、可靠。

5 結(jié)語

遺傳算法適合于對復(fù)雜的、多變的、具有不確定性等問題的最優(yōu)解的尋找，所以為復(fù)雜的非線性電力電子器件的控制策略的確定提供了一種新的思路。本文將遺傳算法應(yīng)用于電力電子器件的開關(guān)控制策略，求解逆變器的最優(yōu)控制規(guī)律，仿真及應(yīng)用證明較常規(guī)方法效果有明顯提高，同時也為遺傳算法應(yīng)用于研究電力電子器件的最優(yōu)控制規(guī)律提供了參考。