（电工理论与新技术专业论文）光伏并网逆变器及其控制方法的研究.pdf

a b s t r a c t s i n c et h ee l e c t r i c p o w e r ，c o a l ，o i l a n do t h e rn o n r e n e w a b l e e n e r g y a r ei na n e m e r g e n c yi nr e c e n ty e a r s ，e n e r g ys h o r t a g eh a sb e c o m et h eg r e a t e s tb o t t l e n e c ki nt h e d e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ee x p l o i t a t i o no fn e we n e r g ym u s tb ee n f o r c e d m o r e a n dm o r ec o u n t r i e sb e g u nt od e v e l o ps o l a rr e s o u r c e st os e e kt h en e wp o w e ro ft h e e c o n o m i cd e v e l o p m e n t t h es o l a r p h o t o v o l t a i c i n t e r c o n n e c t e d s y s t e m w i t ht h e a d v a n t a g e so fc l e a n ，s a f e ，l o n gl i f e ，al i t t l em a i n t e n a n c e ，c o n c e r n st h ek e ya p p l i c a t i o n f i e l dw i t hq u i c k e s td e v e l o p m e n ti nt h ep h o t o v o l t a i cg e n e r a t i n gs y s t e m i no r d e rt o r e d u c et h ec o s to fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m ，m o r ea n dm o r ec o u n t r i e sb e g i nt o f o c u so nt h er e s e a r c ho fh i g he f f i c i e n c yi n v e r t e r s b e c a u s eo ft h es t r o n gn o n l i n e a r i t y o ft h ei n v e r t e r st h e m s e l v e s ，t h em o d e l i n go ft h e s es y s t e mb e c o m e sd i f f i c u l t ，i t se f f e c t s o m e t i m e si su n i d e a le v e ni n v a l i dt h a ta p p l y i n gc o n v e n t i o n a lc o n t r o l l i n gm e t h o d s t h es t r a t e g yo fn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ln e e d n tc o n s t i t u t i n gm a t h e m a t i c sm o d e la n d h a v et h es t r o n g c a p a c i t yo fd r a w i n gu pa n yn o n l i n e rs y s t e m ，t h en e u r a ln e t w o r k c o n t r o li sf i tf o rc o n t r o l l i n gt h es y s t e m so fn o n l i n e a ra n du n c e r t a i n t h ed i s s e r t a t i o n p r o b e si n t ot h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ra n di t sn e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1 t h em o s tc o n t e n to fd i s s e r t a t i o ni sf o l l o w e d ： ( 1 ) d i s c u s s i n gt h en e c e s s i t yo fd e v e l o p i n gp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m a n di n t r o d u c i n gi t sd e v e l o p m e n ts t a t u s ( 2 ) i n t r o d u c i n gb a s i cc o n c e p to fi n v e r t e rt e c h n o l o g y a n dh i g h l i g h t i n gt h e t o p o l o g ya n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fg r i d c o n n e c t e di n v e r t e r ( 3 ) d i s c u s s i n gb a s i ct h e o r yo fn e u r a ln e t w o r ka n db a s i cc o n c e p t sa n dc o n t r o l p r i n c i p l eo fn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l ，i n t r o d u c i n gs t r u c t u r eo fb pn e t w o r k ，d e f i c i e n c y o fb pa r i t h m e t i ca n di m p r o v em e t h o di nd e m i l e d ( 4 ) p r o p o s i n gan e wi n v e r t e rs t r u c t u r eb a s e do nb o o s t ，a n a l y z i n gi t sw o r k i n g p r i n c i p l e ，c h a r a c t e r i s t i ca n da d v a n t a g eb yu s i n gt h ea n a l y s i so fc o n v e r t e ri n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，b a s e do nd e s i g nm e t h o do fb pn e u r a ln e t w o r kc o n t r o l l e r si n t r o d u c e di n c h a p t e r3d e s i g n i n gc o n v e n t i o n a lb pn e t w o r kc o n t r o l l e r sa n dd o i n gt h es i m u l a t i o n a n a l y s i s k e yw o r d s ：p vp o w e rs y s t e m ，g r i d c o n n e c t e di n v e r t e r ，n e u r a ln e t w o r k ， i n v e r t e rc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 签字日期：y 旬年多月，肜日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 签字日期：为哕年莎月莎日 导师签名： 飙砰厂月( 岳日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 世界能源委员会( w e c ) 预测，按照资源探明储量和世界各国对能源需求的膨 胀速度，石油将在4 3 年后枯竭，天然气将在6 6 年后用尽，资源量最大的煤炭也 只够1 6 9 年开采。尽管有一些人对于这些数字持异议，说新的储量仍在不断被发 现，但是化石能源走向枯竭，能源紧张已经显现是不争的事实。如何保证人类的 能源供应可持续发展已经提到了议事日程。太阳能由于其独特的优势而被定位为 最具前景的未来能源。太阳能是洁净无污染的巨大能源，最大限度地开发利用太 阳能将是人类新能源利用方面的科技发展方向。 光伏发电技术是光伏应用领域项非常重要的技术，具有清洁、安全、寿命 长以及维护量小等诸多优点，被认为将是2 l 世纪最重要、最具活力的新能源。 其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己经超过离网应用，近几年的 增长速度都在4 0 以上，成为世界光伏工业的最主要发动机。光伏并网发电已经 成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。 1 1 能源现状分析及发展光伏发电的意义 1 国内外能源消费现状及其引起的环境问题 在世界范围内，1 9 世纪7 0 年代的产业革命以来，化石燃料的消费急剧增大。 初期主要以煤炭为主，进入2 0 世纪以后，特别是第二次世界大战以来，石油以及 天然气的开采与消费开始大幅度的增加，并以每年2 亿吨的速度持续增长。虽然 经历了本世纪7 0 年代两次石油危机，石油价格高涨，但石油的消费量却不见有丝 毫减少的趋势。对此，世界能源结构不得不进行相应变化，核能、水力、地热等 其他形式的能源逐渐被开发和利用。特别是在第二次世界大战中开始被军事所利 用的原子核武器副产品的核能发电得到了和平利用之后，其规模不断得到发展。 很多国家现已进入了原子能时代。例如在日本，发电的4 0 靠核能来解决。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 那么，当今世界的能源消费状况又是怎样的呢? 以1 9 9 4 年为例，世界能源的总消 费量以石油换算为7 9 亿8 0 0 0 万吨，其中石油占3 9 3 、煤炭占2 8 8 、天然气占 2 1 6 ，这样化石燃料的消费量占3 。日本作为世界主要工业国家之一，每年能 源的消费量约占世界总量的6 5 ，其中化石燃料占8 2 4 。尽管在新能源开发方面 正在进行努力，包括水力发电，比例也仅占5 ，前景不容乐观。 中国， 地大物博、资源丰富，能源也不例外，从几种广泛利用的常规能源 来看，储量都比较大。从中可以看出：煤炭储量居世界第3 位，石油居第6 位，天 然气居第1 6 位，水力资源居世界第一位。虽然我国的能源比较丰富，但其分布很 不均匀。煤炭资源有6 0 分布在华北，水力资源有7 0 分布在西南。而经济发达、 工业和人口比较集中( 约占全国人口总数的3 7 ) 的南方八省一市能源却比较缺乏 ( 煤炭占全国的2 ，水力占1 0 ) 能源生产的快速增长是从建国后开始的，同建国 前相比，原煤产量增长近3 0 倍，原油增长1 0 0 多倍，水电增长1 0 0 多倍，天然气达 n 1 4 0 0 倍，从这些数据中足可以看出新中国的发展速度。从目前的统计数据来看， 在一次性能源的构成中，煤炭仍然占有主要地位，占7 0 以上，而且占工业燃料 动力的8 4 ，可以说煤炭在中国能源家族中，处于老大的地位。从以上分析的各个 方面来看，中国己经成为一个能源大国，强大的能源供应是我国经济腾飞、人民 生活水平和综合国力迅速提高的保障和基础，是社会稳定的因素。但是，用一分 为二的观点来看问题，从可持续发展的要求来衡量问题，我国的能源供应前景存 在着巨大的隐患。我国的能源供需存在着几个方面的问题：一是资源短缺。我国 的能源总量是不少的，但是按人均计算就非常地低了。二是利用效率低、浪费巨 大。由于我国的技术水平和管理水平低，能源从开采、运输加工到终端利用的效 率均很低。再加上思想教育上的放松和政策上的失误，存在许多令人痛心的浪费。 三是体制、管理、政策上的问趔1 1 。 最后，让我们来预测一下今后的能源消费。现在地球人口约6 0 亿，到2 1 世纪 中叶，预计将达3 0 1 0 0 亿人。光从人口增长的数字来看，能源消费的增加将是惊 人的。另外，目前的能源消费结构上，仍存在着很大的南北差异，即工业发达国 家使用量为总能源的3 4 ，人均消费量美国最高，为世界平均水平的5 倍以上。我 国的人均消费量相当低，不到人均消费量1 1 1 0 的国家还有很多。因此，今后的能 源消费必须考虑生活提高的对比，能源不足的情形是可以想象的。地球上的能源 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 终将是有限的，如同只伐树而不植树，森林也会变成荒原一样，如此大量的消费， 世界的能源资源也将会枯竭。现在世界能源消费以石油换算约为8 0 亿吨年，按 4 0 亿人计算，平均消费量为2 吨人年。以这种消费速度，至f j 2 0 4 0 年，首先石油 将出现枯竭；至1 2 0 6 0 年，核能及天然气也将终结。地球的能源己经无法提供近1 1 6 亿人口的能源需求，而随着世界人口的不断增加，能源紧缺的时期将会提前到来。 因此，2 1 世纪新能源的开发与利用，己不再是一个将来的话题，而是关系人类子 孙后代命运、刻不容缓的一件大事。 和能源危机并驾齐驱的是：化石能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋 严重的破坏作用。据报道，目前由于大量使用常规能源，全世界每天产生1 亿吨 温室效应气体，造成很严重的大气污染。若下个世纪温室效应融化两极的冰山， 使海平面上升几米，则四分之一的人类生活空间将受到威胁。可见人类文明的高 度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的对比。 针对以上情况，开发和使用可再生能源和无污染能源是人类目前必须采取的 措施。虽然目前人类可利用的太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式 都是可以满足以上的要求。但从能源的稳定性、数量、设备成本、利用条件等诸 多因素考虑，太阳能将成为理想的可再生能源和无污染能源。可以预计，在下个 世纪，太阳能将成为能源的重妻来源( 核能由于它的高效性，将与太阳能并驾齐 驱1 。 2 太阳能技术的发展及其在国际上的光伏应用 目前，太阳能的利用形式主要有光热利用、光伏发电利用和光化学转换三种 形式。光热利用具有低成本、方便、利用效率较高等优点，但不利于能量的传输， 一般只能就地使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以 光合作用的形式普遍存在，但目前人类还不能很好地利用。光伏发电利用以电能 作为最终表现形式，具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有 前两者无法替代的优势，并且由于太阳能电池的原料一硅的储量十分丰富、太阳 电池转换效率的不断提高、生产成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、 环境和人类社会未来发展中占据重要地位。 自从科学家发明了光伏电池以来，已经近半个世纪了。人们发现光伏发电是 一种最洁净、最直接的能源，它为我们解决温室气体排放问题带来了希望，尤其 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 是在目前化石能源日趋枯竭、温室效应造成全球气候的恶化，人类饱尝了环境破 坏带来的苦头。为此，人们己经达成了共识，致力于发展光伏能源用以补偿或替 代化石能源的需求，遏制温室气体排放，力求环境的平衡。由于太阳能光伏发电 技术的重要性，在研究开发、产业化制造技术及市场开拓方面成为世界各国特别 是发达国家激烈竞争的主要热点。8 0 年代以来，即使世界经济总体情况处于衰退 和低谷时期，光伏技术一直保持以1 0 一1 5 的递增速度发展。9 0 年代后期，世界 市场出现了供不应求的局面，发展更加迅速。1 9 9 7 年世界太阳电池光伏组件生产 1 2 2 m w ，比1 9 9 6 年增长了3 8 ( 1 9 9 6 年8 8 5 w ) ，超出光伏界专家最乐观的估计【2 】。 在上个世纪末，许多先进国家在光伏发电方面已走在了前面，如德国、日本、 美国、澳大利亚等，他们不仅将光伏独立电站和并网发电系统成功地引入了市场， 同时各国政府在政策方面也给予了大力支持。例如德国的“千户太阳能发电计划” 实质上是政府企业用户之间增强环保意识并达成共识的必然结果。1 9 9 0 年9 月，德国政府与各洲联合制定了“千户太阳能发电计划”，即每个州每年发展 一千户太阳能电力用户，每户的家用电器全部由太阳能供电。目前德国选用的太 阳能发电组件主要有1 5 k w ，1 6 k w ，2 0 k w 和3 2 k w 等几组，系统价格从11 3 马克 每系统瓦至2 1 3 马克每系统瓦不等，一般家庭只需2 0 平方米的屋顶铺设电池板， 每年可获3 5 0 0 千瓦时( 度) 的发电量，平均每日由太阳能电池所提供的电力将近l o 度，这些电力除供给日常照明和普通娱乐外，还可提供给小型冰箱。现在德国人 的环保意识非常强烈，用户对政府的计划非常感兴趣，大量用户向主管部门申请 安装。一些己经安装使用太阳能发电系统的用户自豪地说：我家己经可以自己发 电了。在德国的影响下，美国政府也制定了“太阳能2 0 0 0 年计划”，计划在2 0 0 0 年太阳能发电能力要达n l o o 万千瓦的水平。1 9 9 7 年1 2 月日本京都会议之后，美 国副总统格尔和能源部部长分别宣布了“克林顿总统百万屋顶光伏计划”，预计 2 0 1 0 年完成。该计划的目的之一是保持和加强美国光伏产业在世界的领先地位和 世界市场的支配地位。欧洲也不甘落后，于大致相同的时间宣布百万屋顶计划， 以保持和发展欧洲光伏工业在世界上的地位。 目前，国外已开发出并网发电专用逆变器及相应的配套组、部件，并网发电 技术日趋成熟的日本政府也制定了长期利用太阳能发电的计划，并且有了许多成 功的例子，例如在静冈县的岛田市立初仓南小学，屋项铺设了2 0 k w 光伏电力系 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 统。此外，奥地利、瑞士、意大利、芬兰等国也都着手实施民用太阳能发电的计 划。开发利用光伏发电的高潮已经在世界范围内得到了兴起吼 1 2 光伏发电技术 1 2 1 光伏发电特点 太阳能具有资源丰富、取之不尽、用之不竭、处处均可开发应用、无需开采 和运输、不会污染环境和破坏生态平衡等特点，是人类能够自由利用的廉价的能 源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达8 0 万千瓦，如果人类把地球表面0 1 的 太阳能转变为电能，转变率5 ，每年发电量可达5 6 x 10 ”千瓦小时，相当于目 前世界上能耗的4 0 倍。 光伏发电与火力、水力、柴油发电比较具有许多优点： 1 太阳能发电不产生任何废弃物，无污染、无噪声，对环境无不良影响， 是理想的清洁能源，安装l k w 太阳能光伏发电系统，每年可以减少c o z 排放量 6 0 0 2 3 0 0k g ，n o x f l 放量1 6k g ，s o x 排放量9k g 和微粒0 6k g 。 2 太阳能随处可得，不受地域限制，可以就近对需求用户供电，无需架设 输电线路，减少成本，而且不必长距离传输，避免了输电线路等的损失。 3 太阳能利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池转化能量，不用燃料， 运行成本很低，可靠性高。 4 太阳能发电无机械转动部件，故障率低，维护简单，可以无人值守。 5 太阳能发电系统建站周期短，由于是模块化安装，规模大小随意。而且 可以根据负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，避免浪费。 6 太阳能组件工作寿命可以达n 2 0 年以上。 7 使用太阳能供电，站址选择方便灵活。 8 电池组件与建筑物完美结合，既可发电又能作为建筑材料和装饰材料， 使物质资源充分利用，发挥多种功能，不但有利于降低建设费用，也可使建筑物 科技含量提高【4 j o 太阳能发电的缺点是： 1 地面应用时有间歇性，发电量与气候条件有关，在晚上或阴雨天就不能 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 发电或很少发电，与负荷用电需要常常不相符合，所以通常要配备储能装置。并 且要根据不同使用地点进行专门的优化设计 2 能量密度较低，在标准测试条件下，地面上接收到的太阳辐射强度为 1 0 0 0 w m 2 。大规模使用时，需要占有较大面积。 3 目前价格仍较贵，为常规发电的5 1 0 倍。初始投资高，影响了其大量 推广应用。 1 2 2 光伏发电系统分类 太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为离网运行和并网运行两大类。 离网运行系统：未与公共电网相联接，又称为独立光伏发电系统。主要应用 于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远农 村、海岛、通信中继站、边防哨所等场合提供电源。 并网运行系统：与公共电网相联接，共同承担供电任务。它是太阳能光伏发 电进入大规模商业化发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要方向，也是当 今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。【9 1 并网光伏发电系统具有许多独特 的优越性： ( 1 ) 可以对电网调峰，提高电网末端的电压稳定性，改善电网的功率因数， 有效地消除电网杂波。 ( 2 ) 所发电能回馈电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池。与独立太阳能光 伏系统相比可减少建设投资3 5 - - - - 4 5 ，发电成本大大降低。 ( 3 ) 光伏电池与建筑完美结合，既可发电又可作为建筑材料和装饰材料，使 资源充分利用，发挥多种功能。 ( 4 ) 出入电网灵活，既有利于改善电力系统的负荷平衡，又可降低线路损耗【4 】。 光伏电池与建筑相结合的并网屋顶太阳能光伏发电系统是众多发达国家竟 相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前景诱人。并网太阳能光伏发电系统在我 国还处于实验示范的起步阶段，远远落后于美国、欧洲、日本等发达国家。1 9 9 0 年德国首先开始实施由政府投资支持、被电力公司承认的“1 0 0 0 屋顶计划”，继 而扩展为“2 0 0 0 屋顶计划”，又于1 9 9 8 年提出“1 0 万屋顶计划”，蛰j 2 0 0 4 年底， 累计建设1 0 万套，光伏组件总装机容量达3 0 0m w p 。我国太阳能电池多数是用于 天律大学硕士学位论文第一章绪论 独立光伏发电系统，n z o l o 年以前这种现象不会有很大改变，仍然是以独立发电 系统为主。从2 0 11 年n 2 0 2 0 年，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并 网发电系统，包括沙漠电站和城市屋项发电系统。 1 3 论文的选题意义及主要内容 1 3 1 论文的选题意义 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际 社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源， 寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。 如：日本从1 9 9 4 年即开始推广民用住宅光伏工程，从1 9 9 4 年至1 9 9 9 年的六年 间累计实施3 3 万件，计划到2 0 1 0 年光伏发电达5 0 0 0 兆瓦。英国太阳能百万屋 顶计划准备在2 0 1 0 年以前，在1 0 0 万座建筑物上安装太阳能系统，光伏系统总 安装容量达3 0 2 5 m w 。欧盟希望能够在2 0 1 0 年安装3 g w ( 百万千瓦) 的光伏 发电装置，在2 0 3 0 年安装的光伏发电装置可能增加到2 0 0 g w 左右。 因此，太阳能的开发利用具有巨大的市场前景，不仅可以带来很好的社会 效益和环境效益，还具有明显的经济效益。作为2 l 世纪最有潜力的能源，太阳 能产业的发展潜力巨大。 太阳能光伏发电技术是将太阳辐射能转变为电能的一项非常重要的技术。而 在光伏发电系统的研究中以光伏并网发电系统的研究成为最新亮点。光伏并网发 电是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的 重要方向，是世界各发达国家在光伏应用领域发展的热点和重点，也是当今世界 太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。 随着光伏并网发电系统的研究不断增多，并网逆变器的研究也随之增加。无 论是家庭式的小型发电系统还是大的局部电网馈能系统都需要可靠、高效和廉价 的并网逆变器。逆变技术，是电力电子技术中的一个重要组成部分。逆变器的设 计要满足系统稳态特性、动态特性、可靠性和效率四个方面的指标要求。要达到 这些指标，一方面要合理设计主电路，在考虑成本的同时，对器件的容量留有一 定的裕量，另一方面合理设计控制系统。控制系统是逆变器功能实现的核心，大 天津大学硕士学位论文第一章绪论 部分性能指标的实现依赖控制系统。 人们设计了各种控制方案，如p i d 控制、滞环控制、双环控制、滑模控制、 无差拍控制、重复控制等控制方案来改善逆变器输出波形的质量及其动态性能。 这些控制方案均是基于被控对象精确模型设计的，因此控制器的性能很大程度上 依赖于对象的精确模型，然而逆变器的精确模型往往难于建立。基于简化线性模 型设计的传统控制器实质上是利用不精确的模型又采用某个固定算法，使整个的 控制系统置于模型框架下，缺乏灵活性和应变性，所以性能优良的传统控制器设 计困难，因此有必要引入与被控对象模型无关、广泛适用于非线性系统控制的神 经网络控制技术。 神经网络控制具有很强的逼近非线性函数的能力，即非线性映射能力。把神 经网络用于控制正是利用它的这个独特优点。神经网络具有如下特性： ( 1 ) 非线性映射逼近能力：已经证明，任意的连续非线性函数映射关系都可 由某一多层神经网络以任意精度加以逼近，这种组成单元简单、结构有序的模型 是非线性系统建模的有效框架模型，预示着神经网络在具有挑战性的非线性控制 领域有很好的应用前景。 ( 2 ) 并行分布式综合优化处理能力：神经网络的大规模互联网络结构，使其 能很快地并行实现全局性的实时信息处理，并很好地协调多种输入信息之间的关 系，兼容定性和定量信息，这是传统的串联工作方式所无法达到的效果，非常适 合于系统控制中的大规模实时计算。同时，某些神经网络模型本身就具有自动搜 索能量函数极值点的功能，这种优化计算能力在自适应控制设计中是十分有用的 【5 1 。 ( 3 ) 高强的容错能力：神经网络的并行处理机制及冗余结构特性使其具有较 强的容错特性，提高了信息处理的可靠性和鲁棒性。 ( 4 ) 对学习结果的泛化能力和白适应能力：经过适当训练的神经网络具有潜 在的自适应模式匹配功能能对所学信息加以分布式存储和泛化这是其职能特 性的重要体现。 ( 5 ) 便于集成实现和计算：模拟神经网络在结构上是相同神经元的大规模组 合特别适合于用大规模集成电路实现，也适合用于现有计算技术进行模拟实现。 但由于现有的计算机运算方式与神经网络所要求的并行运算和分布存储方式是 天津大学硕士学位论文第一章绪论 截然不同的，所以两者在运算时间上必然存在着显著差异【6 1 。 以上主要特性适应了控制理论和控制工程领域发展的基本要求，能解决其中 所遇到的问题，因此必然使神经网络在该领域获得广泛的应用。对于被控系统 模型参数的不确定性变化以及模型结构本身的扰动问题，神经网络所具有的学习 和自适应能力使其能够实时地模拟被控对象的特性变化，同时，即使当被控对象 输出与模型输出存在一定误差时其容错特性也会使控制系统具有一定的鲁棒性 能。另外，神经网络的标准结构和模拟精度为解决非线性系统的自适应控制问题 提供了一种标准框架。 因此，对于那些利用传统控制方法难以实现或奏效的控制问题，采用神经 网络控制技术往往能够迎刃而解。并网逆变器就是这样一种系统，自身具有很强 的非线性和时变不确定性，使得系统精确数学模型很难建立，利用传统控制方法 不能达到理想的效果。因此本文探索将神经网络控制代替传统控制，应用于并网 逆变器控制中，分析其有效性、合理性。 1 3 2 论文的创新点 本文在研究并网逆变器电路结构和拓扑的基础上，研究其控制系统及神经网 络控制在并网逆变器中的应用，并在m a t l a b s 眦i ，i n k 环境下对系统进行了 仿真，验证了此方法的有效性和合理性。 本文的主要工作及创新点如下： 详细分析了并网逆变器的拓扑结构及工作原理并在此基础上提出了一种 新型的基于b o o s t 原理的三相并网逆变器的电路结构。 详细分析了新型三相并网逆变器的工作原理，并在一般控制方法下对其 合理性和稳定性进行了分析与验证。 将神经网络控制运用于并网逆变器的控制中，并设计了一款基于神经网 络的并网逆变控制器。 1 3 3 论文的组织 本章为论文的绪论部分，介绍了论文的相关工作背景，选题意义，以及论文 的主要工作及创新点。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 第二章概括性的介绍了逆变技术的基本概念，并着重介绍了并网逆变器拓 扑结构和工作原理。 i 第三章论述了神经网络基本理论和神经网络控制基本理论的一些基本概念 及控制原理，详细介绍了b p 网络的结构和b p 算法的不足与改进方法。 第四章首先提出了一种新的基于b o o s t 的逆变器结构，以第二章中所介绍的 逆变器分析方法分析了其工作原理、特点及优势，按照第三章中介绍的b p 神经 网络控制器设计方法，设计出常规b p 网络控制器，并进行了仿真分析。 最后对本文的逆变器电路及其控制策略进行总结，并提出了一些相关的、 有价值的研究方向。 天津大学硕士学位论文第二章并网逆变器的研究 2 1 逆变技术概述 第二章并网逆变器的研究 2 1 1 逆变器主电路的基本形式和分类 逆变器是一种将直流电能变换成交流电能的交流装置。 逆变器的种类按照不同的分类方法有多种：按交流输出能量的去向，可以分 为有源逆变器和无源逆变器；按照功率流动的方向，可以分为单向逆变器和双向 逆变器；按照功率变换的比例，可以分为全功率逆变器和部分功率逆变器；按照 直流输入电源的性质，可以分为电压型逆变器和电流型逆变器；按照输入输出的 电气隔离，可以分为非隔离逆变器、低频环节隔离逆变器和高频环节隔离逆变器； 按照整体结构，可以分为单级逆变器和内高频逆变器；按照主电路的结构形式， 可以分为半桥式逆变器、全桥式逆变器和推挽式逆变器；按照功率开关期间的种 类，可以分为s c r 逆变器、g t r 逆变器、g t o 逆变器、m o s f e t 逆变器、i g b t 逆变器、混合器件逆变器；按照调制方式，可以分为脉宽调制逆变器和脉频调制 逆变器；按照控制技术，可以分为模拟控制逆变器和数字控制逆变器；按照输出 电压波形的电平数，可以分为二电平逆变器、三电平逆变器和多电平逆变器； 匮 0 ( 3 - 8 ) 式中，7 为学习率常数、学习步长。 h e b b 规则的相关假设是许多学习规则的基础【2 7 】。 ( 2 ) 误差传播式学习d e l t a 学习规则 令y k ( t ) 为输- 入x ( 0 时神经元在t 时刻的实际输出，d a t ) 为相应的应有输出，则 误差信号可写为： 万弓破( f ) 巩( f ) ( 3 - 9 ) 误差传播学习的最终目的是使某一基于万的目标函数达到最小，以使网络 中的每一输出单元的实际输出在某种统计意义上最逼近于应有输出。当选定了目 标函数形式，误差学习就成了典型的最优化问题。常用的目标函数是均方误差判 据： j ：e ( 丢瞑：o ) ) ( 3 - 1 0 ) 式中e 是期望算子。 当直接勇，作为目标函数时，需要知道整个过程的统计特性，为解决这一困 难通常用，在时刻t 的瞬时值占( f ) 代替山即： 占( f ) = 昙哦2 ( f ) ( 3 - 1 1 ) 问题变为求6 ( 0 对权值w 的极小值，用最陡梯度下降法可得： ( f ) = 7 7 瓯( f ) ( f ) ( 3 1 2 ) 上式含有艿算子，所以称上式为万规则，又称误差修正规则。 上述的万规则只适用于线性可分函数，不适用于多层网络非线性可分函数。 在前向网络的监督式学习中，具有重要意义的是广义万规则。根据广义万规则， 误差由输出层逐层反向传至输入层，而输出是正向传播，直至给出网络的最终响 应。 天津大学硕士学位论文第三章逆变器的神经网络控制技术 ( 3 ) 竞争式学习竞争式学习时网络各层输出单元互相竞争，最后达到只有 一个最强者激活。常见的一种情况是输出神经元之问有侧向抑制联接，这样多个 输出单元中如果有某一单元较强，则它将获胜并抑制其它单元，最后只有比较强 者处于激活状态。设i 为输入层某单元，j 为获胜单元，最常用的竞争学习规则可 写为【2 2 】； 蚓”) = 严气刊性 ( 3 - 1 3 ) 式中g 外部刺激k 系列中第i 项刺激成分； n k 刺激k 激励输入单元的总数。 3 2 2 神经网络控制的理论基础 3 2 2 1 神经网络控制的定义【2 8 】【3 2 】 所谓神经网络控制又称为基于神经网络的控制或简称神经控制，它是指在控 制系统中采用神经网络这一工具对难以描述的复杂的非线性对象进行建模，或充 当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊断，以及同时兼有上述某些功能 的组合。 3 2 2 2 神经网络控制的基本思想 传统的控制系统的设计和分析总是基于被控对象数学模型，根据被控对象的 数学模型及对控制系统要求的性能指标来设计控制器，控制方法和规律用解析数 学表达式描述；模糊控制则是基于专家经验和领域知识总结出若干条模糊控制规 则，构成描述具有不确定性复杂对象的模糊关系，利用控制系统输出误差、误差 的变化和模糊关系的推理合成获得控制量。而神经网络不善于显式表达知识，但 具有很强的逼近非线性的能力，长于学习通过数据隐含表达知识，将神经网络用 于控制正是利用了它的这一特性【2 9 】。 控制系统的目的在于通过确定适当的控制量输入，使系统获得期望的输出特 性。图4 ，5 所示的原理图是采用神经网络代替一般反馈控制系统中的控制器。 天津大学硕士学位论文 第三章逆变器的神经网络控制技术 y a 图4 5 神经控制系统框图 控制的目的是寻求最佳的控制量输入材，使系统的实际输出y 等于期望输出 肋。设被控对象的输a u 和系统输跏之间满足以下非线性关系： y 可( 3 1 4 ) 控制的目的是要确定最佳的控制量u 使系统的实际输出y 逼近期望的输出鼢。可把 神经网络的功能看成某种输入输出关系的映射，或函数变换，设这种函数关系表 示为： 材- g 例 ( 3 1 5 ) 将式( 3 - 1 5 ) 代入( 3 1 4 ) 中可得： y 钡g ( y 拼 b 一1 6 ) 显然，当g ( ) = 厂1 ( ) 时，满足y 动的要求。 对于非线性控制对象，非线性函数g ( ) 是难以建立的，但是可以利用神经网 络的逼近非线性函数的能力来模拟g 1 ( ) ，通过系统的实际输出j ，与期望输出妇之 间的误差来调整神经网络中的联接权值，即让神经网络学习，直至误差趋近于0 ， 即： e = y d - y 一0( 3 1 7 ) 这个神经网路模拟g 。( ) ，实现对被控对象求逆的过程就是神经网络实现直接控 制的基本思想。这一求逆过程实际上是由神经网络的学习算法实现的【2 引。 3 3b p 网络及其算法改进 3 3 1b p 网络结构 b p 网络是采用b p 算法的多层前向网络。b p 算法即反向误差传播算法。前 向网络是目前研究最多的网络形式之一，每层的神经元称为节点或者单元。 天津大学硕士学位论文 第三章逆变器的神经网络控制技术 输入发 配甚 愉奠 图4 - 6 多层前馈神经网络结构 前向网络包含输入层、一个或多个隐层和输出层，这种网络的特点是只有相 邻的两层之间神经元互相联接，各神经元之间没有反馈。每个神经元可以从前一 层接收多个输入，并只有一个输出送给下一层的各神经元，如图4 - 6 所示为三层 网络。三层前向网络分为输入层、隐层和输出层。 输入节点的活性( 状态) 代表输入此网络中的原始信息。每个隐节点的活性 取决于输入节点的活性及该输入节点与隐节点之间联接权值。输出节点的行为取 决于隐节点的活性及隐节点和输出节点之间的权值。 网络信息的传播是由输入节点传到隐节点，向后传到输出节点。这种含有隐 层的前向网络有一个重要特征，即：隐节点可以任意构成它们自身的输入表示， 输入节点和隐节点间的权值决定每个隐节点何时是活性的，借修改这些权值，一 个隐节点可以选择它代表什么。这意味这含有隐层的前向网络是一个函数逼近 器，已经证明只含有一个隐层的前向网络是一个通用的函数逼近器【2 8 1 ，即一个隐 层已足够。 多层前向神经网络，当神经元激发函数为s i g m o i d 型时，称相应的网络为 b p 网络。 从整体性质上看，这种神经网络完成一个从r 用j 尺甩空间的映射，这个映 射是复杂的非线性映射。它能将尺肌空间的个子集连续地映射到尺拧空间中去， 对于m 个输入，网络产生1 1 个输出，整个网络相当于一个隐式函数g ，其自变量 是网络的权值、阈值及输入变量。 已有定理证明，仅有一层隐含层的神经网络能近似表示一切连续函数【2 6 】。这 天津大学硕士学位论文第三章逆变器的神经网络控制技术 为b p 网络在系统建模及控制方面得到应用奠定了理论基础。 3 3 2b p 算法及其改进 b p 算法其基本思想是最小二乘法，它采用梯度搜索技术，以期使得网络的 实际输出与期望输出值的实际误差均方值最小【2 9 1 。 b p 算法的学习过程由正向传播和反向传播组成。在正向传播过程中，输入 信息从输入层经隐含层逐层处理，并传向输出层，每层神经元的状态只影响下一 层神经元的状态。如果在输出层不能得到期望输出，则转入反向传播，将误差信 号沿原来的连接通路返回，通过修改各层神经元的权值，使误差信号最小。 3 3 2 1 b p 算法过程 b p 网络采用b p 学习算法来训练网络权重。该算法是一种有导师的学习方法， 即在待训练的样本数据中，既要有输入信息，又要有期望的输出信息( 教师信号) 。 b p 算法分两步进行：正向传播和反向传播。这两个过程简述如下： ( 1 ) 正向传播 输入的样本从输入层经过隐层节点一层一层进行处理，通过所有的隐层之 后，则传向输出层：在逐层处理的过程中，每一层神经元的状态只对下一层神经 元的状态产生影响。在输出层把现行输出和期望输出进行比较，若存在误差，则 进入反向传播过程。 ( 2 ) 反向传播 反向传播时，把误差信号按原来正向传播的通路反向传回，并对每个隐层 的各个神经元的权系数进行修改，以期望误差信号趋向最小。当所有的样本数据 经过反复寻求达到误差精度要求后，样本数据即以各节点间连接权重的形式储存 下来。这之后，在输入层加入输入信号，经正向传播后，便得到期望的输出信号 或近似值。 3 3 2 2 网络的前馈计算 设b p 网络的结构如图4 。7 所示，有m 个输入节点，输入层节点的输出等于其 输入。输出层有l 个输出节点，网络的隐含层有q 个节点，峋是输入层和隐含层 天津大学硕士学位论文第三章逆变器的神经网络控制技术 节点之间的连接权值。是隐含层和输出层节点之间的连接权值，隐含层和输 出节点的输入是前一层节点的输出的加 权和，每个节点的激励程度由它的激发 函数来决定。 b p 网络可看成是一从输入到输出 的高度非线性映射。可以证明：对于任意 万 0 和任意岛函数厂： 0 ，1 刀j r m ， 存在一个三层b p 网络，它可在任意占平 方误差精度内逼近厂也就是b p 网络具 有很好的函数逼近能力。对于b p 神经网 络来说，增加隐含层数和隐含单元数可 以提高网络计算的精度：样本数据越多， 输 入 煎 了 i z ) ： 三f 0 i ，j i ；， 一一一一一一，一一一一i i 凳矗联 - - - - - - - - - - - - - + 嚣息瀛 图4 7 b p 网络结构图 隐含层和隐含单元数越合理，网络计算的精度就越高。 在训练网络的学习阶段，设有n 个学习样本，先假定用其中的某一固定样 中的输入输出模式乃和 ) 对网络进行训练。为了书写方便，暂时将公式中 样本p 的记号略去，如隐含层的第个节点输入写为： n e t p j = n e t j = 嘞d f ( 3 - 1 8 ) l = l 第个节点的输出为 o j = f ( n e t l ) ( 3 1 9 ) 其中f ( n e t j ) 为激发函数 ( 拧呦= 七 1 + e 其中g 表示偏重或阈值，正的够作用是 使激发函数沿水平轴方向向右移动，o o 的作用是调节万函数的形状，较小的岛 ( 3 2 0 ) 。y 。 飞： 一一一q 罴 o l 默 使万函数逼近阶跃函数，较大的a o 使 图4 8 具有偏置和调节的s i 鲫o i d 激发函数 天津大学硕士学位论文 第三章逆变器的神经网络控制技术 d 函数变得较为平坦，如图4 8 所示。 对式( 3 - 2 0 ) 进行求导，可得 f ( n e t j ) = f ( n e t j ) 1 一f ( n e t 脚 ( 3 2 1 ) 第个节点的输出将通过加权系数w 腑向前转播到第尼个节点，输出层第尼 个节点的总输入为： 胛p & = q ( 3 - 2 2 ) j = z 其中g 为隐含层的节点数。输出层第k 个节点的实际网络输出为： o k = f ( n e t k ) ( 3 2 3 ) 若网络输出与期望输出咴不一致，则将其误差信号从输出端反向传播，并在传 播的过程中对加权系数不断修正，使在输出层节点上得