智能控制理論在電力電子中的運(yùn)用

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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。

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)

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。

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。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。

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(chēng)為“專(zhuān)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(zhuān)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。

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(chē)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(chē)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(mén)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(xún)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。

4.2智能充電系統(tǒng)

隨著電能汽車(chē)、電能自行車(chē)、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(chē)智能充電樁不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)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)（homeenergymanage－mentsystemHEMS）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(chē)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。

作者:李兵兵 伍維根 謝永春 單位:西華大學(xué)