智能控制理論在電力電子中的應(yīng)用

李兵兵　伍維根　謝永春

摘 要：近年來(lái)伴隨著智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步和逐漸成熟，以物聯(lián)網(wǎng)為代表的智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，電力電子裝置智能化和電力電子控制智能化發(fā)展也日漸興起，并發(fā)揮著巨大的潛力。文章將從這兩個(gè)方面詳細(xì)綜述智能控制理論在電力電子中的應(yīng)用研究，并對(duì)智能控制理論在電力電子學(xué)中的應(yīng)用前景作出展望。[1]

關(guān)鍵詞：人工智能；電力電子；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；模糊變結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM132 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）35-0170-03

Abstract： In recent years， with the development of intelligent technology， smart grid and energy Internet， represented by the Internet of things， intelligent power electronic devices and intelligent power electronic control， are also on the rise， with enormous potential. In this paper， the application of intelligent control theory in power electronics is summarized in detail from these two aspects， and the application prospect of intelligent control theory in power electronics is prospected.

Keywords： artificial intelligence； power electronics； neural network； fuzzy variable structure

1 概述

隨著電力半導(dǎo)體制造技術(shù)、微電子技術(shù)，以及控制理論的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)的應(yīng)用呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前，隨著全球化的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題的出現(xiàn)，電力電子技術(shù)更是憑借其獨(dú)有的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，在高效、清潔、節(jié)能的科技產(chǎn)品研發(fā)創(chuàng)造方面發(fā)揮著不可替代的作用。電力電子技術(shù)逐漸由傳統(tǒng)的電力半導(dǎo)體器件、交直流可變電路、電力傳動(dòng)與控制領(lǐng)域擴(kuò)展為電氣節(jié)能、新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)領(lǐng)域。[2]

目前，已有的電力電子技術(shù)的發(fā)展重心基本上停留在對(duì)系統(tǒng)基本功能的實(shí)現(xiàn)與性能的提高，而同時(shí)針對(duì)傳統(tǒng)的經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論對(duì)電力電子控制技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越難以滿足日漸復(fù)雜多元系統(tǒng)的發(fā)展需要。近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高精度、高速度的微處理器的出現(xiàn)，使得復(fù)雜參量和系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)計(jì)算成為可能，以及現(xiàn)代控制理論的大量實(shí)踐和豐富經(jīng)驗(yàn)，模糊控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等智能控制理論開(kāi)始應(yīng)用于電力電子技術(shù)，以此來(lái)滿足高性能、高精度、強(qiáng)魯棒性的電力電子系統(tǒng)發(fā)展需求。智能控制理論的使用和探索將是對(duì)電力電子技術(shù)領(lǐng)域一次新的革命，極大的促進(jìn)電力電子應(yīng)用的發(fā)展和創(chuàng)新。[3-4]

2 電力電子技術(shù)智能化的必然趨勢(shì)

隨著電力電子技術(shù)的成熟，現(xiàn)實(shí)中對(duì)電力電子裝置的要求越來(lái)越高，控制系統(tǒng)也變得日漸復(fù)雜。通過(guò)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的非線性、多變量、強(qiáng)耦合等特點(diǎn)往往嚴(yán)重影響我們的系統(tǒng)整體性，這種情況下常規(guī)的控制方法就很難達(dá)到一個(gè)令人滿意的效果。而智能控制理論在電力電子中的應(yīng)用發(fā)展給這一問(wèn)題的解決帶來(lái)了可能。因?yàn)樵谥悄芸刂评碚撝芯陀泻芏嗬碚撛谶@種非線性、復(fù)雜性和不確定性等問(wèn)題的解決上有很好的適應(yīng)性。[10]例如模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，自適應(yīng)控制等，他們?cè)谔幚矸蔷€性、多變量以及強(qiáng)耦合問(wèn)題中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。這些都使得智能控制理論在電力電子中的應(yīng)用成為了一個(gè)新的研究方向，在現(xiàn)實(shí)的電力電子技術(shù)的發(fā)展中發(fā)揮著巨大作用和潛力。[5]

近年來(lái)，我國(guó)加大對(duì)新能源、智能電網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用的開(kāi)發(fā)、建設(shè)和發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)設(shè)備的要求和系統(tǒng)的響應(yīng)速度以及各方面性能的要求也越來(lái)越高。因此在電力電子裝置普遍采用的同時(shí)，對(duì)其智能化的要求越來(lái)越高。要將先進(jìn)的微電子技術(shù)、可視化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等與電力電子裝置有機(jī)結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的感知、分析、預(yù)警、狀態(tài)評(píng)估、信息共享等功能，增強(qiáng)智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)的自適應(yīng)能力與穩(wěn)定性，提升裝置自身的可靠性和利用率。電力電子裝置智能化是實(shí)現(xiàn)新能源、智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的重要技術(shù)基礎(chǔ)。

3 電力電子控制智能化的應(yīng)用發(fā)展

3.1 模糊變結(jié)構(gòu)控制的應(yīng)用

模糊控制是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種高級(jí)控制策略和新穎技術(shù)。模糊控制技術(shù)在基于模糊數(shù)學(xué)理論的基礎(chǔ)上，通過(guò)模擬人的近似推理和綜合決策過(guò)程，按照模糊控制規(guī)則實(shí)施控制，而且此過(guò)程不需要考慮其數(shù)學(xué)模型與系統(tǒng)的矛盾問(wèn)題。它在算法的穩(wěn)定性和適應(yīng)性上得到很大程度的提高，成為智能控制技術(shù)的重要組成部分，一般的控制理論很難做到這一點(diǎn)。模糊控制有一個(gè)重要特點(diǎn)，就是它也存在“抖振”現(xiàn)象。這種“抖振”現(xiàn)象卻成為解決電力電子變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的“抖振”現(xiàn)象的一個(gè)意外契機(jī)，實(shí)現(xiàn)了兩者的結(jié)合，從而使復(fù)雜的問(wèn)題得到有效解決。[6]

傳統(tǒng)的邊界層法在解決這種“抖振”現(xiàn)象問(wèn)題時(shí)存在很大的缺陷和不足。但利用模糊控制理論將傳統(tǒng)邊界層模糊化可實(shí)現(xiàn)切換曲面的無(wú)抖振切換。通過(guò)設(shè)計(jì)模糊規(guī)則來(lái)降低抖振，可以在一定程度上降低模糊控制的“抖振”現(xiàn)象，模糊控制柔化了控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)不連續(xù)控制信號(hào)的連續(xù)化，可減輕和避免我們電力電子變結(jié)構(gòu)控制應(yīng)用中的“抖振”現(xiàn)象。[7]

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的應(yīng)用

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在電力電子中的應(yīng)用主要涉及控制和故障診斷兩方面。隨著現(xiàn)代電力電子產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，其涉及到的范圍也越來(lái)越廣泛。如今，人們對(duì)于電力電子的控制精度以及穩(wěn)定性等提出了更高的要求，越來(lái)越多的控制要求具備智能化和強(qiáng)適應(yīng)能力的特征。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)在電力電子中的應(yīng)用恰好能夠達(dá)到這樣的控制要求，它使得我們的電力電子控制電路具備了很強(qiáng)的復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力和多目標(biāo)控制的自學(xué)習(xí)能力。理論上來(lái)說(shuō)，其可以設(shè)計(jì)出一個(gè)與系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型無(wú)關(guān)的，自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的，魯棒性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快的智能控制系統(tǒng)。[8]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這些特性為解決現(xiàn)代電力電子裝置控制上的種種難題提供了一條很好的解決途徑。

在傳統(tǒng)的電力電子故障診斷時(shí)，人們主要依靠實(shí)踐過(guò)程中積累的豐富的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)電力電子設(shè)備的感知能力俗稱為“專家經(jīng)驗(yàn)”。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非常強(qiáng)的自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力以及非線性映射特征，所以如果我們利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力來(lái)不斷獲得這種“專家經(jīng)驗(yàn)”，使得我們的故障診斷系統(tǒng)能夠根據(jù)歷史保存的故障時(shí)段波形與故障的原因之間的關(guān)聯(lián)映射通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)后保存在其結(jié)構(gòu)和權(quán)中。通過(guò)豐富的樣本訓(xùn)練，最終能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)故障診斷系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)或者設(shè)備的在線自診斷功能。實(shí)踐證明，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)智能化系統(tǒng)的故障診斷系統(tǒng)在變壓器的故障診斷、三相整理電路等電力電子電路中得到了很好的實(shí)踐證明和廣泛應(yīng)用，極大的提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

3.3 預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)在電力電子中的優(yōu)勢(shì)在于，它是一種致力于更長(zhǎng)的時(shí)間跨度甚至無(wú)窮時(shí)間的最優(yōu)化控制。它將控制過(guò)程分解為若干個(gè)更短時(shí)間跨度或者有限時(shí)間跨度的最優(yōu)化問(wèn)題，并在一定程度上仍然追求最優(yōu)解。因此比較與傳統(tǒng)的控制技術(shù)中以時(shí)間序列分析和統(tǒng)計(jì)學(xué)兩種基本形式來(lái)說(shuō)，其優(yōu)勢(shì)在于預(yù)測(cè)控制策越的復(fù)雜控制系統(tǒng)的復(fù)雜度更低以及具有更高的精度和魯棒性。[9]

例如在電網(wǎng)中電力系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程，由于供配電用電安全的需要，以及如何根據(jù)具體的實(shí)時(shí)用電狀態(tài)來(lái)及時(shí)調(diào)整發(fā)電和向線路各用戶配電的問(wèn)題，是一項(xiàng)非常復(fù)雜而又重要的工作。過(guò)去國(guó)內(nèi)采用的大多是傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法，這些方法的預(yù)測(cè)精度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足我們實(shí)際系統(tǒng)的發(fā)展要求，尤其是在面對(duì)特殊情況下的用電高峰期，由于不具備適應(yīng)性要求，將直接影響到整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和用電的電能質(zhì)量和安全。預(yù)測(cè)控制策越最大的優(yōu)勢(shì)就是在于很強(qiáng)的自適應(yīng)預(yù)測(cè)能力，它能較好的處理系統(tǒng)中可能存在的干擾、噪聲等不確定問(wèn)題，也增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性。[10]

4 電力電子裝置智能化發(fā)展

隨著電力電子在高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，特別是在新能源和電力節(jié)能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，人們都迫切需要高質(zhì)量可控的電能。智能化的電力電子裝置已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)各種能源高效率高質(zhì)量的電能轉(zhuǎn)換和節(jié)能的重要途徑。其電力電子裝置的功能從以往的單一化向未來(lái)的集成化和多元化方向發(fā)展，它也成為未來(lái)能源互聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵因素。

4.1 智能電力監(jiān)控

隨著社會(huì)的經(jīng)濟(jì)和科技繁榮和發(fā)展，在國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)中全國(guó)范圍的居民用電、各地重點(diǎn)工程項(xiàng)目、大型公共設(shè)施、新能源汽車充電站等急劇增加。人們對(duì)包括供配電系統(tǒng)在內(nèi)的各電力系統(tǒng)的可靠性、安全性、穩(wěn)定性、兼容性及故障預(yù)警和診斷提出了更高的要求。隨著電力電子設(shè)備的更新和智能化發(fā)展，電力監(jiān)控系統(tǒng)的范圍更廣、方式也更加多元，已經(jīng)逐漸從對(duì)供配電系統(tǒng)的實(shí)施監(jiān)控，擴(kuò)展到對(duì)新能源發(fā)電、新能源汽車充電站等不同空間甚至不同設(shè)備系統(tǒng)的智能化監(jiān)控領(lǐng)域。[11]

智能化的電力監(jiān)護(hù)系統(tǒng)可以給電網(wǎng)、企業(yè)以及一些單獨(dú)電力設(shè)備提供“監(jiān)控一體化”的整體解決方案，實(shí)時(shí)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)建立、工業(yè)自動(dòng)化組態(tài)軟件、電力自動(dòng)化軟件、“軟”控制策略、通信網(wǎng)關(guān)服務(wù)器、Web門戶工具等。它的最大優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面、用戶管理、數(shù)據(jù)采集處理、事件記錄查詢和故障報(bào)警等功能。這些功能的實(shí)現(xiàn)和完善將極大的提高對(duì)被監(jiān)控系統(tǒng)的信息化數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控和控制，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、精度控制和故障診斷以及系統(tǒng)的巡察和維護(hù)，讓我們的電力系統(tǒng)更加安全高效。[12]

4.2 智能充電系統(tǒng)

隨著電能汽車、電能自行車、以及各種電力電子產(chǎn)品的不斷豐富和廣泛使用，如何實(shí)現(xiàn)這些電能設(shè)備快速高效的充電成為了我們亟待解決的問(wèn)題。針對(duì)傳統(tǒng)的充電方法都存在著充電時(shí)間長(zhǎng)、充電方法過(guò)于單一、對(duì)電池使用壽命影響等問(wèn)題。于是，充電系統(tǒng)的智能化發(fā)展成為電力電子能源設(shè)備的迫切需求。

傳統(tǒng)的充電方法主要是恒流充電和恒壓充電。這兩種基本的充電方法，一方面控制電路簡(jiǎn)單，充電功率一般比較小，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易；另一方面充電速度非常緩慢，充電方法過(guò)于單一，控制的穩(wěn)定性較差，以致影響蓄電池本身的使用壽命。新發(fā)展的智能充電監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高效、快速、無(wú)損地對(duì)蓄電池進(jìn)行科學(xué)充電。其根據(jù)鉛酸儲(chǔ)電池的特性，提出了分階段充電模式，使充電電流極大的接近儲(chǔ)電池的可接受充電的高效率電流曲線，并采用智能化的控制方法來(lái)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)電池的充放電控制。[13]

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)大容量智能充電技術(shù)的研究還處于起步階段，但也取得了一定的成果。以智能化充電樁和小容量無(wú)線充電模式為代表的先進(jìn)案例。電動(dòng)汽車智能充電樁不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車地快速高效充電的問(wèn)題，同時(shí)也擴(kuò)展到實(shí)現(xiàn)對(duì)充電電池的評(píng)估甚至進(jìn)行維護(hù)，并且具有人性化的人機(jī)交互界面和完善的通訊能力，實(shí)現(xiàn)了人性化的用戶體驗(yàn)。

4.3 家庭能源管理

家庭能源管理系統(tǒng)是智能電網(wǎng)在居民側(cè)的一個(gè)新的延伸體，近年來(lái)隨著智能家居的出現(xiàn)，使得其逐漸成為智能電網(wǎng)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。家庭能源管理系統(tǒng)是通過(guò)各種傳感器采集室內(nèi)環(huán)境變化、人員活動(dòng)狀況和設(shè)備工作狀態(tài)信息，然后利用這些采集信息的分析結(jié)果，對(duì)用電設(shè)備做出對(duì)應(yīng)的調(diào)度和控制，在滿足用戶舒適度的前提下減少電能的消耗，提高用電效率。[13]

現(xiàn)實(shí)中居民側(cè)用電量占據(jù)了電網(wǎng)用電的一個(gè)重要部分，它占全社會(huì)用電總量的36.3%以上，但一直存在用電效率低、浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)象。為改善這一難題提高居民用電效率，避免資源浪費(fèi)，一些西方國(guó)家在20世紀(jì)70年代己開(kāi)始嘗試開(kāi)展了家庭能源管理系統(tǒng)（home energy management system HEMS）的研究。

家庭能源管理系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)時(shí)的與外界能量和信息的交換過(guò)程，由家庭智能控制和家庭能源管理兩個(gè)部分組成。通過(guò)智能化電器、智能電表和各種先進(jìn)傳感器的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)信息的采集和挖掘；通過(guò)預(yù)算控制和智能化控制策略，實(shí)現(xiàn)能耗的最低化的高效節(jié)能用電。一般家庭能源管理系統(tǒng)可分為用戶設(shè)置模塊、信息采集模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、優(yōu)化調(diào)度模塊、設(shè)備監(jiān)控模塊等五個(gè)模塊組成。它最終實(shí)現(xiàn)在智能電網(wǎng)環(huán)境下，居民用戶所有的用電負(fù)載、儲(chǔ)能系統(tǒng)等設(shè)備與家庭環(huán)境內(nèi)的用電網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)線上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制的家庭區(qū)域微電網(wǎng)。家庭能源管理系統(tǒng)為節(jié)能減排、提高用電效率及智能電網(wǎng)環(huán)境下的居民側(cè)需求響應(yīng)實(shí)施、分布式電源和電動(dòng)汽車接入網(wǎng)絡(luò)提供了支持，也為未來(lái)智能城市電網(wǎng)的發(fā)展提供了廣闊的前景。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合目前的最新文獻(xiàn)及電力電子行業(yè)的發(fā)展熱點(diǎn)，我們已經(jīng)看到智能化控制理論已經(jīng)在電力電子中得到了廣泛的應(yīng)用和嘗試。雖然一些先進(jìn)的控制策略暫時(shí)還停留在理論研究階段以及一些智能化控制方法復(fù)雜度較高、穩(wěn)定差等等弊端，但隨著智慧城市、智能電網(wǎng)與能源互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)等大環(huán)境對(duì)電力電子裝置的智能化更加深入，智能控制理論也不斷豐富和提高，電力電子智能化領(lǐng)域應(yīng)用也會(huì)得到飛速的發(fā)展。因此，對(duì)這一問(wèn)題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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