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基于ADHDP方法的HVDC整流控制器设计

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第6期 2011年6月 组合机床 自动化加。 技术 NO.6 Modular Machine Tool&Automatic Manufacturing Technique Jun.2011 文章编号:1001—2265(2011)06—0057—04 基于ADHDP方法的HVDC整流控制器设计 周晓华 ,宋春宁 ,王荔芳。,黄 玲 (1.广西工学院电子信息与控制工程系,广西柳州 545006;2.广西大学电气工程学院,广西南宁 530004;3.昆明学院自动控制与机械工程系,云南昆明 650l l 8) 摘要:针对传统PI控制器在HVDC系统受到大干扰时难于产生有效控制作用的问题,设计了一种基 于执行依赖启发式动态规划(ADHDP)方法的整流控制器,控制器的执行网络和评价网络均采用BP 神经网络进行设计,并利用直流线路电流偏差信号在线训练两个网络以优化控制器性能。仿真结果 表明,与传统PI控制器相比,所设计的的控制器具有更好的控制效果。 关键词:执行依赖启发式动态规划(ADHDP);高压直流输电;整流控制器 中图分类号:TM72l 文献标识码:A Design of Rectiier C:fontroller Based on ADHDP for HVDC ZHOU Xiao—hua ’ ,SONG Chun—ning ,WANG Li—fang ,HUANG Ling (1.Department of Electronic Information and Control Engineering,GuangXi University of Technology, GuangXi LiuZhou 545006,China;2.College of Electrical Engineering,Guangxi University,GuangXi Nan— ning 530004,China) Abstract:Aimed at the problem which the effective function of conventional PI controller can’t display in time when bigger disturbance occurs in HVDC system,a rectiier controllfer based on ADHDP Was de- signed.The action network and critic network of this controller were built up by BP neural network,and they were trained online by error signals of DC line current to optimize performance of ADHDP control- ler.The simulation results show that the ADHDP controller can obtain better control effect comparing with conventional PI controller. Key words:Action・dependant heuristic dynamic proffamming;HVDC system;rectifier controller O 引言 高压直流输电(HVDC)是一个典型的非线性系 统,直流输电线路中的换流器具有很强的非线性。 为确保HVDC系统安全稳定运行,整流和逆变控制 能控制具有处理各种非线性的能力、并行计算的能 力、自适应、自组织和自学习的能力,而且能有效控 制不精确模型甚至不确定系统,因而成为HVDC系 统控制 ’ 的研究热点。 自适应动态规划(Approximate Dynarnic Program— ming,ADP)是一类可以在线地通过与系统(环境)的 相互作用从而不断改善控制效果的方法,有强化学 习(Reinforcement Learing,RL)、自适应评价设计(A— daptive Critic Design,ACD)等不同的分支和名 称 ” 。自适应动态规划可分为三类:启发式动态 规划(HDP),双启发式动态规划(DHP)和全局双启 发式动态规划(GDHP)。ADHDP(Action—dependent 器必须具有良好的控制性能。然而,常规的整流和 逆变控制器主要为PI型,虽然在正常稳态运行状态 下,控制器具有较好的鲁棒性和较满意的运行效果, 但当交流系统受到大干扰时,交流系统的暂态稳定 性下降 ,控制器将难以产生有效的控制作用。 近几年来,许多先进的控制策略被应用到HVDC 系统的换流器控制中,并获得了较好的控制效果。 文献[2-8]将非线性控制理论应用到HVDC控制系 Heuristic Dynamic Programming)方法是启发式动态规 划HDP(Heuristic Dynamic Programming)的执行依赖 统中,体现出了非线性控制策略的优越性。由于智 收稿日期:2010—12—30 作者简介:周晓华(1976一).男,云南牟定人,广西工学院电子信息与控制 程系讲_J币,广西大学硕十研究生,主要从事智能优化控制、供配 电技术等方面的教学和科研工作,(E—mail1 zhxh76@126 COFI1~ ・58・ 组合机床与自动化加工技术 第6期 形式,本文采用BP神经网络设计了ADHDP的执行 网络和评价网络,并将其应用到HVDC系统的整流 控制中。执行网络和评价网络可利用实时测量数据 进行在线训练,在一定程度上消除由于内部模型误 差和某些不确定性干扰产生的影响。仿真结果表 明,与传统PI控制器相比,ADHDP控制器具有更好 的控制效果。 1 ADHDP原理 给定一个离散时间非线性系统: (t+1)=F[ (t),u( ),t] (1) 式中: (t)——系统的状态; u(t)——控制量。 给定一个初始状态 (i),动态规划的目标是选 择合适的控制序列u(k),k:i,i+1,…,从而使系统 的代价函数(Cost—to—go)(式(2))为极小,以获得全 局最优解。 JE ( ), ]=∑y u[ ( ),M( ), ] (2) i 式中: ——效用函数(Utility Function); y——折扣因子(Discount Factor)且0<y≤1。 ADHDP方法则通过近似求解Bellmall方程: I, [ (t),t]=min(u[ (t),M(t),t)+y., [ (t+1),t+1]) ‘¨ (3) 并以此来获得次优解。图1所示为其原理 图 ” ,图中虚线表示反向传播的路径。 图1 ADHDP原理图 执行网络的训练目标是最小化评价网络输出的 代价函数.,,其权值的更新主要通过定义下式的误差 来实现: e (z)=.,(£) (4) 评价网络则采用监督学习方法将网络的实际输 出与期望输出的差作为误差反向传播来调整网络各 层权值的大小,其误差定义式为: e (£)=l,(t)一TJ(t+1)一u(£) (5) 2 ADHDP整流控制器设计 整流控制器采用定电流控制方式,其执行网络 和评价网络均采用三层BP神经网络进行设计,隐层 神经元转移函数均采用s型双曲正切函数,输出层神 经元转移函数均为线性函数。执行网络的输入取直 流线路电流,d与参考电流 ,的偏差△, (AI =, 一 , )在t、t一1和t一2时刻的值,分别记为△, (t)、 AI (t一1)和△,d(t一2),输出为为整流器的触发延 迟角的调节量△ ,隐层神经元取6个。评价网络的输 入为△ (t)、△, (t一1)、△, (t一2)和Aa,评价网络 的输出为代价函数.,的近似值,其隐层神经元取10 个。ADHDP整流控制器的结构如图2所示。 圈Z AOHIOll"跫搋 制葫箱 执行网络最小化以下目标函数: E(£)= 1・e2oo ̄t) (6) 其权值按梯度下降法进行更新: t‘I 1= l+Aw l (7) OE A w , oi一 n OE. :一l 一Oe OJ Ow。1 . -la g ̄ea oJ (8) 。2= 2+Aw。2 (9) OE A wo2一 ,.OEo Oe. oJ =-- —z 。 (10 式中,z。——执行网络的学习率。 评价网络则最小化以下目标函数: E )= ÷ )一’, +1)一 1 = e (11) 评价网络的权值同样按梯度下降法进行调整: -- .熹 ㈤ 芒 一 ~ r(f) (13) f . ) ~ ) ~ 一Ⅲ (15) 2011年6月 周晓华,等:基于ADHDP方法的HVDC整流控制器设计 ・59・ 效用函数U(t)反映了每一步的控制效果,可根 据控制目标进行定义。本文定义的效用函数形式 如下: u(1)= 4A1 (t)+4AId(t一1)+16AI (t一2) (16) 3仿真结果与分析 利用MATLAB/Simulink建立了一个两端单极直 流输电仿真系统,整流侧交流系统为500kV、 5000MVA的等效网络,逆变侧交流系统为345kV、 10000MVA等效网络,换流器均采用2个6脉冲桥串 联而成的l2脉冲桥结构,换流器问连接0.5H的平 波电抗器和长度为300km的直流架空线路。整流器 采用定电流控制方式,逆变器采用定 角控制方式, ADHDP算法通过编写S函数并利用MATLAB的S— Function功能嵌入Simulink仿真系统。 图3为参考电流发生阶跃变化时控制器的稳态 响应曲线,0.4s时,参考电流, ,由1.0pu下降到 0.8pu,0.7s由0.8pu回到1.0pu。可以看出, ADHDP控制器的稳定性、快速响应性均优于传统PI 控制器。 图3 参考电流变化时控制器的稳态响应曲线 图4、图5分别为整流侧交流系统发生三相短路 故障时,传统PI控制下的直流线路电流曲线和 ADHDP控制下的直流线路电流曲线。图6、图7分 别为直流线路发生接地短路故障时,传统PI控制下 的直流线路电流曲线和ADHDP控制下的直流线路 电流曲线。故障均在0.5 s发生,0.51 s时切除,由仿 真曲线可以看出,ADHDP控制具有更小的超调量、 较快的响应速度和较好的稳定性,采用ADHDP方法 设计的HVDC系统整流控制器能获得更好的控制效 果 2 1.5 9 1 叮 0.5 o o o.2 o.4 o.6 o 8 l t/s 图4整流侧交流系统三相短路时Pl控制下的直流电流 图5整流侧交流系统三相短路时 ADHDP控制下的直流电流 芎 董望  o f  t 1j 图6直流线路短路时Pl控制下的直流电流 l 量 。 { U 0 t).2 0 4 0.6 U l ,s 图7直流线路短路时ADHDP控制下的直流电流 4 结束语 高压直流输电系统是一个典型的非线性系统, 按照自适应动态规划ADHDP方法设计的控制器,结 构相对简单,不仅不依赖于系统的数学模型而且可 以很好地实现在线训练。仿真结果表明,与传统PI 控制器相比,将ADHDP方法应用到高压直流输电系 统的整流控制中,可以获得更好的控制效果,其在减 小超调量、提高响应速度和提高稳定性方面更具优 势,具有一定的理论研究意义和现实意义。 [参考文献] [1]陈汉雄,刘天琪.HVDC系统中换流站的辅助模糊控制 [J].电网技术,2003,27(1):5—8. 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(编辑赵蓉) [12]赵冬斌,刘德荣,易建强.基于自适应动态规划的城市 (上接第56页) 种不同的智能体结构。并以系统中的两个典型智能 体为例,阐述了其具体实现方法。最后,对系统中各 智能体间的通信机制进行了设计。目前针对开放式 数控系统的研究在国内外还处于起步阶段,许多问 题尚未有定论,本文提出一种基于多智能体技术构 建开放式数控系统的策略和方法,仅是对开放式数 图6直接通信结构图 与点对点结构通信相似,同样由智能体对各自 生成标准的ACL消息,再利用XML进行标准化封 装。其不同点主要表现在,点对点结构是通过两个 控系统的研究作了初步的探索。许多问题还有待于 深化。 [参考文献] [1]张明亮,解旭辉,李圣怡.开放式数控体系结构的初步研 智能体间直接的XML文件传输实现消息的传递,而 问接模式是通过在通信结构中设置的黑板区域来存 放输入数据、中间结果、不同问题求解过程中的各种 状态及所需其它数据,记录了各智能体所需要的信 究[J].中国机械工程,2001,12(11):1242—1245. [2]DANIEL D C.Collaborating software blackboard and multi 一agent systems&the future[C].Proceedings of the Inter— 息和各群体决策成员产生的决策结论、意见反馈等, 通过共享的模式进行消息交互。其通信流程如图7 所示。 national Lisp Conference,New York,October 2003. [3] KILOV H,ROSS J.Information modeling:an object—orien— ted approach.[M].[S.L]:Prentice Hall,1994. ECKHARD F,JURGEN R.The basic dieas of a proven dy— namic collision avoidance approach for multi——robot manipu- lator sysytem[C]//Processdins of the IEEE/RJS,IROS, Las Vegas,Neveda,October,2003:1173—1177. 图7间接通信结构图 SARIDIS G N.Architecture for intelligent controls[C].// IEEE symposium on implicit and nonlinear system,Ft, 5 结束语 本文分析了数控系统的开放式发展方向,针对 开放式系统模块化设计的需求,指出数控系统各功 能模块之间的特点:既相互,又相互关联,需要 频繁地进行信息交互,彼此之间需要密切的相互协 worth,TX,1992:14一l5. 张晓辉,于东,胡毅.一种新型五轴联动数控系统的研究 [J].小型微型计算机系统,2009,30(2):371—375. 周丰,鲜明,肖顺平.基于多智能体技术的协同信息融合 系统研究[J].机械工程学报,2002,38(6):66—71. Qibin Feng,Guopiang Lu.FIPA—ACL based agent communi・ cation in plant automation[C].In:Emerging Technologies and Factory Automation,Proceedings. 作。然后,指出多智能体技术的特点与开放式系统 的要求十分吻合,设计了基于多智能体技术的开放 式数控系统的系统架构方法,分别抽象出系统中8 (编辑李秀敏) 

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