一种基于神经网络滑模控制的UPFC控制方法技术

本发明专利技术提出了一种基于神经网络滑模控制的UPFC控制方法，该方法利用针对并联侧和串联侧换流器，在矢量控制的基础上，构建了换流器并联侧和串联侧状态空间，采用径向基函数(RBF)神经网络算法，对隐含层节点中心、节点宽度和网络权值采用基于经典梯度下降算法的动量因子法进行调整，由RBF神经网络对滑模面进行调整，该方法能够实现滑动模态的全过程自适应控制，消除滑模控制对外部参数的敏感性，实现有功、无功功率的解耦控制，抑制在系统扰动时后的振荡，快速逼近系统运行的目标值，并且结构简单运行可靠，同时具有很好的适应性和鲁棒性。本发明专利技术弥补了国内在这一领域的空白，也为统一潮流控制器稳定控制系统的改进提供了必要的技术支持和有利参考。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是统一潮流控制器(UPFC)换流器的控制方法，属于电力电子控制
，具体涉及的是一种基于神经网络滑模控制的UPFC控制方法。
技术介绍
统一潮流控制器(UnifiedPowerFlowController，简称UPFC)的概念，最先是由L.Gyugyi等人于1992年提出，国外对UPFC研究较早，1998年世界上第一台装置，在美国地区的138kV的高压输电线路上成功运行，足以说明UPFC的硬件实现是完全可行的，目前工程运行良好。而我国起步较晚，1995年以后才开始研究。统一潮流控制器(UPFC)作为一种串、并联混合型FACTS元件能够对受控输电线上的潮流分配和节点电压灵活进行控制，其基本组成模块静止同步补偿器(STATCOM)和静止同步串联补偿器(SSSC)以及中间的直流电容。统一潮流控制器(UPFC)既能在电力系统稳定方面实现潮流调节，合理控制有功功率、无功功率的流动，提高线路的输送能力，实现优化运行，又能在动态方面，通过快速无功吞吐，动态地支撑接入点的电压，提高系统电压稳定性，若适当控制，还可以改善系统阻尼，提高功角稳定性。UPFC控制方法多种多样，主要控制方法包括：传统的PI控制、神经网络和模糊自适应控制、非线性控制、交叉解耦控制、协调控制等方法。如果缺乏对UPFC系统的有效控制措施，在交流系统发生故障或者扰动时有可能引起换流器的换相失败。若换相失败时间过长可能引起换流器闭锁，大量的功率将无法通过换流器进行传输，极有可能引起两侧交流系统的失稳。而如果控制措施得当，在交流系统发生故障后，通过既定的控制策略自动调节UPFC系统传输的有功和无功功率，减少换相失败的时间甚至防止发生换相失败，就可以充分利用UPFC系统调节的快速性，对交流系统进行紧急功率支援，或在故障后帮助交流系统快速恢复，减弱交流系统振荡，保证两侧电网安全稳定的运行。所以研究统一潮流控制器换流器的稳定控制方法，为统一潮流控制控制系统的工程应用提供技术支持和有利参考，具有巨大的经济价值和应用前景。目前已经采用的UPFC换流器控制方法主要是基于经典PI控制理论，对系统数学建模的要求很高，不易得到满意的控制效果，而且鲁棒性不强。
技术实现思路
根据国内尚未有基于径向基函数(RBF)神经网络滑模变结构控制的实际工程的情况，并结合基于指数趋近律的滑模控本专利技术目的是提供一种基于神经网络滑模控制的UPFC控制方法，在系统运行点发生改变时和控制系统结构变化时进行仿真验证，结果表明该方法能够快速有效地控制受控输电线路的有功、无功功率，跟踪性能良好，提高系统在受到扰动后的稳定性，从而保证电网安全稳定运行。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种基于神经网络滑模控制的UPFC控制方法，其步骤如下：(1)利用矢量控制的方法和坐标变换的方法对已建立的系统数学模型进行解耦，从而得到便于滑模变结构控制的系统状态方程；(2)采用基于指数趋近律的滑模变结构控制器，根据系统误差构造滑模切换函数，选择合适的滑模控制器参数；(3)将切换函数作为RBF神经网络的输入，滑模控制器作为RBF神经网络的输出，构造基于高斯函数的RBF神经网络；(4)设计神经网络的误差，选择神经网络的学习指标，采用随机梯度法加上动量修正项的方法，得到各个参数的修正公式；(5)根据目标变量的物理含义选择合适的量测量计算并输出目标期望控制信号，并通过空间矢量控制(SVPWM)得到串联侧和并联侧换流器的触发信号。本专利技术将基于指数趋近律的滑模变结构控制方法(基本结构为变结构控制系统)用于并联侧换流器、串联侧换流器控制中，构造基于高斯函数的径向基函数(RBF)神经网络对滑模控制器的输入进行学习，根据滑模切换时状态空间的误差采用随机梯度法加上动量修正项的方法自适应调整学习参数，在并联侧和串联侧换流器中采用该控制方法，同时具有有功、无功独立解耦和动态特性优良的优点，具有很好的适应性和鲁棒性，用以提高统一潮流控制器的并网稳定性，同时结构简单、易于实现。附图说明图1本专利技术的并联侧等值电路；图2本专利技术的串联侧等值电路；图3本专利技术的三层前向RBF神经网络；图4本专利技术的基于RBF神经网络和指数趋近律的滑模控制器结构；图5本专利技术的并联侧控制原理框图；图6本专利技术的串联侧控制原理框图；图7本专利技术的两机双线含UPFC输电系统拓扑结构；图8本专利技术的系统运行点发生改变时直流电压响应情况；图9本专利技术的系统运行点发生改变时RBF网络权值自适应参数变化情况；图10本专利技术的控制结构改变时直流电压响应情况；图11本专利技术的控制结构改变时RBF网络权值自适应参数变化情况。具体实施为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本专利技术。本专利技术的原理具体叙述如下：(1)以滑模变结构控制为基础的干扰观测器需要在解耦的系统状态空间中进行控制，利用坐标变换分别建立两相旋转坐标系下并联侧和串联侧系统状态方程：{LEi·Ed=-REiEd+ωLEiEq+usd-u1dLEi·Eq=-REiEq+ωLEiEd+usq-u1q---(1)]]>{LBi·Bd=-RBiBd+ωLBiBq+uBd+u2dLBi·Bq=-RBiBq-ωLBiBd+uBq+u2q---(2)]]>其中：iEd、iEq、iBq、iBd是状态变量，u1d、u1q、u2d、u2q是控制器输入。LE和RE表示UPFC并联变压器以及所连接电抗的等效电感和电阻，iEd和iEq分别为UPFC并联侧输出电流坐标分量，usd和usq分别为电网送端母线电压，u1d和u1q为UPFC并联变流器的输出电压。LB和RB分别表示UPFC串联变压器所连接电抗的等效电感和电阻，iBd和iBq分别表示线路及UPFC串联侧流过的电流坐标分量，u2d和u2q为UPFC串联变流器的输出电压，uBd和uBq分别为串联换流器的交流侧输出电压，ω表示角频率。并联侧和串联侧等值电路图如图1和图2所示。(2以并联侧为例，式(1)中状态空间是二阶的，为了简化控制将ωLEiEq+usd和-ωLEiEd+usq分别作为输入的前馈补偿，则iEd和iEq是解耦的，式(1)并联侧可以转化为两个一阶状态方程，设x1＝iEd，x2＝iEq，u1＝(ωLEiEq+usd-u1d)/本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于神经网络滑模控制的UPFC控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：(1)利用矢量控制的方法和坐标变换的方法对已建立的系统数学模型进行解耦，从而得到便于滑模变结构控制的系统状态方程；(2)采用基于指数趋近律的滑模变结构控制器，根据系统误差构造滑模切换函数，选择滑模控制器参数；(3)将切换函数作为RBF神经网络的输入，滑模控制器输入作为RBF神经网络的输出，构造基于高斯函数的RBF神经网络；(4)设计神经网络的误差，选择神经网络的学习指标，采用随机梯度法加上动量修正项的方法，得到各个参数的修正公式；(5)根据目标变量的物理含义测量计算并输出系统状态变量的目标期望值作为控制信号，并通过空间矢量控制得到串联侧和并联侧换流器的触发信号。

【技术特征摘要】
1.基于神经网络滑模控制的UPFC控制方法，其特征在于，其包括以下步
骤：
(1)利用矢量控制的方法和坐标变换的方法对已建立的系统数学模型进
行解耦，从而得到便于滑模变结构控制的系统状态方程；
(2)采用基于指数趋近律的滑模变结构控制器，根据系统误差构造滑模
切换函数，选择滑模控制器参数；
(3)将切换函数作为RBF神经网络的输入，滑模控制器输入作为RBF神
经网络的输出，构造基于高斯函数的RBF神经网络；
(4)设计神经网络的误差，选择神经网络的学习指标，采用随机梯度法
加上动量修正项的方法，得到各个参数的修正公式；
(5)根据目标变量的物理含义测量计算并输出系统状态变量的目标期望
值作为控制信号，并通过空间矢量控制得到串联侧和并联侧换流器的触发信
号。
2.根据权利要求书1所述的基于神经网络滑模控制的UPFC控制方法，其
特征在于，所述步骤(1)中，以滑模变结构控制为基础的干扰观测器需要在
解耦的系统状态空间中进行控制，利用坐标变换方法分别建立两相旋转坐标系
下并联侧和串联侧系统状态方程分别如下：
LEi·Ed=-REiEd+ωLEiEq+usd-u1dLEi·Eq=-REiEq-ωLEiEd+usq-u1q---(1)]]>LBi·Bd=-RBiBd+ωLBiBq+uBd-u2dLBi·Bq=-RBiBq-ωLBiBd+uBq+u2q---(2)]]>其中：iEd、iEq、iBq、iBd是状态变量，u1d、u1q、u2d、u2q是控制器输入；
LE和RE表示UPFC并联变压器以及所连接电抗的等效电感和电阻，iEd和iEq分
别为UPFC并联侧输出电流坐标分量，usd和usq分别为电网送端母线电压，u1d和
u1q为UPFC并联变流器的输出电压；
LB和RB分别表示UPFC串联变压器所连接电抗的等效电感和电阻，iBd和iBq分
别表示线路及UPFC串联侧流过的电流坐标分量，u2d和u2q为UPFC串联变流器
的输出电压，uBd和uBq分别为串联换流器的交流侧输出电压，ω表示角频率；
将ωLEiEq+usd和-ωLEiEd+usq分别作为输入的前馈补偿，则iEd和iEq是解耦的，
利用矢量控制的方法分别建立并联侧和串联侧一阶系统状态空间方程分别如
下：
x·1=-ax1+u1x·2=-ax2+u2---(3)]]>x·3=-bx3+u3x·4=-bx4+u4---(4)]]>其中，x1＝iEd，x2＝iEq，u1＝(ωLEiEq+usd-u1d)/LE，u2＝(-ωLEiEd+usq-u1q)/LE，
x3＝iBd，x4＝iBq，u3＝(ωLBiBq+uBd+u2d)/LB，u4＝(-ωLBiBd+uB...

【专利技术属性】
技术研发人员：卫鹏，刘建坤，周前，
申请(专利权)人：江苏省电力公司电力科学研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32