劉 偉

(沈陽(yáng)城市建設(shè)學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110167)

0 引 言

諧波的出現(xiàn)，會(huì)降低艦船電力系統(tǒng)電能生產(chǎn)、傳輸以及應(yīng)用效率[1-3]。當(dāng)艦船電力系統(tǒng)出現(xiàn)諧波，電氣設(shè)備會(huì)出現(xiàn)異常升溫、振動(dòng)等問(wèn)題，此時(shí)絕緣老化率提升，可用時(shí)間也會(huì)逐漸變少。除此之外，還會(huì)導(dǎo)致艦船電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置出現(xiàn)誤動(dòng)，從而導(dǎo)致電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到負(fù)面影響。

目前艦船電力系統(tǒng)中核心應(yīng)用為大功率變流裝置，此類裝置的使用會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)大量諧波電流，如果這些諧波不能被有效抑制，便會(huì)導(dǎo)致艦船電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)受到威脅。所以，艦船電力系統(tǒng)諧波抑制方法，是艦船電力系統(tǒng)研究的一項(xiàng)核心內(nèi)容。

分析已有研究資料可知，周祎隆等[4]使用并聯(lián)有源濾波器，抑制艦船電力設(shè)備所用的大功率變頻設(shè)備諧波，但此類裝置的參數(shù)設(shè)定具有固定性，不具有自適應(yīng)調(diào)整能力，在艦船運(yùn)行時(shí)，電力設(shè)備出現(xiàn)的諧波問(wèn)題，會(huì)存在隨機(jī)性和無(wú)規(guī)律性，此類裝置的應(yīng)用效果還需優(yōu)化。齊坤等[5]在抑制艦船電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題時(shí)，使用下垂控制方。此方法雖然能夠以功率合理分配的方式，保證艦船電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，從而避免出現(xiàn)諧波問(wèn)題，但屬于間接抑波方式，缺乏直接性，不具備針對(duì)性的電力系統(tǒng)諧波抑制能力。

結(jié)合前人研究成果和存在的不足，本文提出基于智能優(yōu)化技術(shù)的艦船電力系統(tǒng)諧波抑制方法。此方法在解決諧波抑制問(wèn)題時(shí)，將模糊PID 控制器和智能優(yōu)化算法相結(jié)合，根據(jù)已知諧波分量，調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)電流，完成諧波的智能優(yōu)化抑制。

1 艦船電力系統(tǒng)諧波抑制

1.1 基于p-q 檢測(cè)的艦船電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法

設(shè)置艦船電力系統(tǒng)的三相電壓(uA，uB，uC)、電流()依次為：

式中：Un，In分別為各次諧波電壓、電流有效值；?，t分別為角頻率與時(shí)間變量；?為電壓相角的瞬時(shí)值。

獲取有功功率q和無(wú)功功率p，q和p屬于瞬時(shí)變量，則

式(4)的有功功率q、無(wú)功功率p均存在基波電流分量、諧波分量，此時(shí)三相基波電流分量iAg，iBg，iCg為：

每相電流里諧波分量iAx，iBx，iCx，即為線路各相電流和基波分量之間的差值，則艦船電力系統(tǒng)諧波總值是iO=iAx+iBx+iCx。

1.2 基于模糊PID 智能優(yōu)化的諧波抑制方法

1.2.1 用于抑制諧波的模糊PID 控制器設(shè)計(jì)

圖1 為基于模糊PID 智能優(yōu)化的諧波抑制方法中，用于抑制諧波的模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 模糊PID 控制器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of fuzzy PID controller

圖中，KP(比例系數(shù))、KI(積分系數(shù))、KD(微分系數(shù))和i′與iO之間的關(guān)聯(lián)性為：

調(diào)整KP，KI，KD大小，保證模糊PID 控制器的輸出滿足期望，便可調(diào)節(jié)艦船電力系統(tǒng)的電流諧波，完成諧波抑制，所以KP，KI，KD大小的合理設(shè)置，直接影響控制器對(duì)諧波的抑制效果。

1.2.2 基于改進(jìn)遺傳算法的控制器智能優(yōu)化方法

改進(jìn)遺傳算法使用時(shí)，會(huì)將可行解集合比喻為種群，各個(gè)可行解即為種群里的多個(gè)個(gè)體，個(gè)體基因是可行解的詳細(xì)信息。在本文研究中，個(gè)體基因是控制器智能優(yōu)化時(shí)，KP，KI，KD的具體數(shù)值。使用改進(jìn)遺傳算法對(duì)模糊PID 控制器參數(shù)進(jìn)行智能優(yōu)化時(shí)，要結(jié)合KP，KI，KD的特點(diǎn)，以特殊的編碼模式，把控制參數(shù)編碼為個(gè)體基因，再引入改進(jìn)遺傳算法，將個(gè)體執(zhí)行迭代尋優(yōu)，迭代停止后，便輸出種群里適應(yīng)度最大的個(gè)體，把此個(gè)體基因執(zhí)行解碼，便可獲取KP，KI，KD的最佳組合。圖2 為控制器智能優(yōu)化流程。

圖2 控制器智能優(yōu)化流程Fig.2 Intelligent optimization process of controller

圖2 中的核心操作內(nèi)容如下：

1）初始化種群。遺傳處理前必須設(shè)定初始種群，引入隨機(jī)模式構(gòu)建初始種群，種群基因變化范圍設(shè)為1～5。

2）編碼和解碼。實(shí)數(shù)編碼操作難度小，所以引入此編碼模式，將模糊PID 控制器的控制參數(shù)編碼為個(gè)體基因。

3）適應(yīng)度函數(shù)設(shè)置。將模糊PID 控制器對(duì)諧波抑制的理想值 ?i、諧波值iO之間偏差的絕對(duì)值的積分I?，作為適應(yīng)度函數(shù)的計(jì)算參量。適應(yīng)度函數(shù)值較高，則模糊PID 控制器的質(zhì)量較好，此時(shí)諧波抑制后電流畸變值為最小值，改進(jìn)遺傳算法尋優(yōu)目的即為適應(yīng)度最大值，則

4）交叉、選擇、變異處理。交叉處理主要結(jié)合自適應(yīng)交叉概率、目前迭代過(guò)程中種群適應(yīng)度值均值Gavr、最大值Gmax，自適應(yīng)調(diào)節(jié)交叉概率。設(shè)置交叉概率后，根據(jù)交叉概率在種群里篩選個(gè)體(控制參數(shù)可行解)執(zhí)行交叉處理，應(yīng)用算術(shù)交叉算法執(zhí)行交叉計(jì)算，若將交叉后個(gè)體的第j個(gè)基因執(zhí)行變異。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)計(jì)

艦船電力系統(tǒng)中，使用4 臺(tái)分布式電源，功率因數(shù)為0.98，此電力系統(tǒng)屬于艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)主要分為主推進(jìn)器、側(cè)推進(jìn)器，具體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3 所示。電力推進(jìn)系統(tǒng)屬于獨(dú)立性的電力系統(tǒng)，因?yàn)榘l(fā)電容量存在有限性，且遭到非線性負(fù)荷的負(fù)面影響，便會(huì)出現(xiàn)大量諧波電流，影響艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)正常運(yùn)行。

圖3 艦船電力系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig.3 Ship power system diagram

2.2 諧波抑制效果測(cè)試

本文方法對(duì)圖3 的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)結(jié)果如圖4所示。艦船電力系統(tǒng)諧波污染下，電力系統(tǒng)電流存在明顯畸變，若不進(jìn)行有效抑制，便會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的推進(jìn)進(jìn)程出現(xiàn)斷續(xù)情況。

圖4 艦船電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)結(jié)果Fig.4 Harmonic detection results of ship power system

本文方法對(duì)圖4 的諧波執(zhí)行抑制，抑制后的電力系統(tǒng)電流變化如圖5 所示。對(duì)比圖4 和圖5 可明顯看出，本文方法對(duì)艦船電力系統(tǒng)諧波抑制后，電流畸變情況明顯改變，電流污染得到有效解決。證明本文方法可用于艦船電力系統(tǒng)諧波抑制問(wèn)題中，具備諧波抑制能力。

圖5 諧波抑制后電力系統(tǒng)電流變化Fig.5 Power system current change after harmonic suppression

為深入分析本文方法所用的智能優(yōu)化技術(shù)，對(duì)諧波抑制的必要性，分析本文方法使用改進(jìn)遺傳算法前后，模糊PID 控制器的使用效果。實(shí)驗(yàn)中，在0.08 s時(shí)施加畸變電流，則測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。分析可知，當(dāng)0.08 s 時(shí)施加畸變電流后，模糊PID 控制器優(yōu)化前，在0.10 s 時(shí)才完成諧波抑制；而模糊PID 控制器經(jīng)改進(jìn)遺傳算法優(yōu)化后，在0.085 s 便可完成諧波抑制，由此證明，本文方法使用改進(jìn)遺傳算法，對(duì)模糊PID 控制器執(zhí)行參數(shù)優(yōu)化設(shè)置，存在必要性。

圖6 模糊PID 控制器優(yōu)化前后單位階躍響應(yīng)變化Fig.6 Change of unit step response before and after optimization of fuzzy PID controller

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)艦船電力系統(tǒng)出現(xiàn)的諧波污染問(wèn)題，本文提出基于智能優(yōu)化技術(shù)的諧波抑制方法。此方法的創(chuàng)新之處在于應(yīng)用改進(jìn)遺傳算法，優(yōu)化設(shè)置模糊PID 控制器的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)諧波電流的自適應(yīng)補(bǔ)償抑制。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文方法對(duì)艦船電力系統(tǒng)的諧波抑制效果，能夠滿足艦船電力系統(tǒng)諧波管理標(biāo)準(zhǔn)。