0 引　言

谐波的出现，会降低舰船电力系统电能生产、传输以及应用效率^[1-3]。当舰船电力系统出现谐波，电气设备会出现异常升温、振动等问题，此时绝缘老化率提升，可用时间也会逐渐变少。除此之外，还会导致舰船电力系统的继电保护与自动装置出现误动，从而导致电力系统的稳定性受到负面影响。

目前舰船电力系统中核心应用为大功率变流装置，此类装置的使用会导致电力系统出现大量谐波电流，如果这些谐波不能被有效抑制，便会导致舰船电气设备运行状态受到威胁。所以，舰船电力系统谐波抑制方法，是舰船电力系统研究的一项核心内容。

分析已有研究资料可知，周祎隆等^[4]使用并联有源滤波器，抑制舰船电力设备所用的大功率变频设备谐波，但此类装置的参数设定具有固定性，不具有自适应调整能力，在舰船运行时，电力设备出现的谐波问题，会存在随机性和无规律性，此类装置的应用效果还需优化。齐坤等^[5]在抑制舰船电力系统谐波问题时，使用下垂控制方法。此方法虽然能够以功率合理分配的方式，保证舰船电力系统正常运行，从而避免出现谐波问题，但属于间接抑波方式，缺乏直接性，不具备针对性的电力系统谐波抑制能力。

结合前人研究成果和存在的不足，本文提出基于智能优化技术的舰船电力系统谐波抑制方法。此方法在解决谐波抑制问题时，将模糊PID控制器和智能优化算法相结合，根据已知谐波分量，调节电力系统电流，完成谐波的智能优化抑制。

1 舰船电力系统谐波抑制 1.1 基于p-q检测的舰船电力系统谐波检测方法

设置舰船电力系统的三相电压( $ {u_A} $ ， $ {u_B} $ ， $ {u_C} $ )、电流( $ {i_A} $ ， $ {i_B} $ ， $ {i_C} $ )依次为：

$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{u_A}} \\ {{u_B}} \\ {{u_C}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{U_n}\sin \varpi t} \\ {{U_n}\sin \left( {\varpi t - \dfrac{{2\text{π} }}{3}} \right)} \\ {{U_n}\sin \left( {\varpi t + \dfrac{{2\text{π} }}{3}} \right)} \end{array}} \right]\text{，} $

(1)

$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{i_A}} \\ {{i_B}} \\ {{i_C}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{I_n}\sin \left( {\varpi t - \phi } \right)} \\ {{I_n}\sin \left( {\varpi t - \phi - \dfrac{{2\text{π} }}{3}} \right)} \\ {{I_n}\sin \left( {\varpi t - \phi + \dfrac{{2\text{π} }}{3}} \right)} \end{array}} \right] \text{。}$

(2)

式中： $ {U_n} $ ， $ {I_n} $ 分别为各次谐波电压、电流有效值； $ \varpi $ ， $ t $ 分别为角频率与时间变量； $ \phi $ 为电压相角的瞬时值。

获取有功功率 q和无功功率 p，q和 p属于瞬时变量，则

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {q = \dfrac{3}{2}{U_n}{I_n}\cos \phi }\text{，} \\ {p = \dfrac{3}{2}{U_n}{I_n}\sin \phi } \text{。}\end{array}} \right. $

(3)

假定相电压、电流有效总值依次是 $ U = \dfrac{{{U_n}}}{{\sqrt 2 }} $ ， $ I = \dfrac{{{I_n}}}{{\sqrt 2 }} $ ，则

$ \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}} {q = 3UI\cos \phi }\text{，} \\ {p = 3UI\sin \phi } \text{。} \end{array}} \right. $

(4)

式(4)的有功功率 $ q $ 、无功功率 $ p $ 均存在基波电流分量、谐波分量，此时三相基波电流分量 $ {i_{Ag}} $ ， $ {i_{Bg}} $ ， $ {i_{Cg}} $ 为：

$ \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{i_{Ag}}} \\ {{i_{Bg}}} \\ {{i_{Cg}}} \end{array}} \right] = D_{32}^{\rm{T}}D_{qp}^{ - 1} = \frac{1}{{u_\alpha ^2 + u_\beta ^2}}D_{32}^{\rm{T}}\left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {{u_\alpha }}&{{u_\beta }} \\ {{u_\beta }}&{ - {u_\alpha }} \end{array}} \right]\text{，} $

(5)

式中， $D_{32}^{\rm{T}}$ 和 $ D_{qp}^{ - 1} $ 分别为额定电流、额定功率。

每相电流里谐波分量 $ {i_{Ax}} $ ， $ {i_{Bx}} $ ， $ {i_{Cx}} $ ，即为线路各相电流和基波分量之间的差值，则舰船电力系统谐波总值是 $ {i_O} = {i_{Ax}} + {i_{Bx}} + {i_{Cx}} $ 。

1.2 基于模糊PID智能优化的谐波抑制方法 1.2.1 用于抑制谐波的模糊PID控制器设计

图1为基于模糊PID智能优化的谐波抑制方法中，用于抑制谐波的模糊PID控制器结构示意图。

图中，K_P(比例系数)、K_I (积分系数)、K_D(微分系数)和 $ i' $ 与 $ {i_O} $ 之间的关联性为：

$ {K_P} = {\bar K_P} + \Delta {K_P} = {\bar K_P} + {\left\{ {\tilde i,{i_O}} \right\}_P} \text{，}$

(6)

$ {K_I} = {\bar K_I} + \Delta {K_I} = {\bar K_I} + {\left\{ {\tilde i,{i_O}} \right\}_I} \text{，}$

(7)

$ {K_D} = {\bar K_D} + \Delta {K_D} = {\bar K_D} + {\left\{ {\tilde i,{i_O}} \right\}_D} \text{。}$

(8)

式中： $ {\bar K_P} $ ， $ {\bar K_I} $ ， $ {\bar K_D} $ 为模糊PID控制器的预整定值，属于改进遗传算法优化前的原始值； $ \Delta {K_P} $ ， $ \Delta {K_I} $ ， $ \Delta {K_D} $ 为模糊PID控制器的修正值，属于改进遗传算法优化值； $ \tilde i $ 为理想电流值，属于无谐波电流值。

调整K_P，K_I，K_D大小，保证模糊PID控制器的输出满足期望，便可调节舰船电力系统的电流谐波，完成谐波抑制，所以K_P，K_I，K_D大小的合理设置，直接影响控制器对谐波的抑制效果。

1.2.2 基于改进遗传算法的控制器智能优化方法

改进遗传算法使用时，会将可行解集合比喻为种群，各个可行解即为种群里的多个个体，个体基因是可行解的详细信息。在本文研究中，个体基因是控制器智能优化时，K_P，K_I，K_D的具体数值。使用改进遗传算法对模糊PID控制器参数进行智能优化时，要结合K_P，K_I，K_D的特点，以特殊的编码模式，把控制参数编码为个体基因，再引入改进遗传算法，将个体执行迭代寻优，迭代停止后，便输出种群里适应度最大的个体，把此个体基因执行解码，便可获取K_P，K_I，K_D的最佳组合。图2为控制器智能优化流程。

图2中的核心操作内容如下：

1）初始化种群。遗传处理前必须设定初始种群，引入随机模式构建初始种群，种群基因变化范围设为1～5。

2）编码和解码。实数编码操作难度小，所以引入此编码模式，将模糊PID控制器的控制参数编码为个体基因。

3）适应度函数设置。将模糊PID控制器对谐波抑制的理想值 $ \tilde i $ 、谐波值 $ {i_O} $ 之间偏差的绝对值的积分 $ \hat I $ ，作为适应度函数的计算参量。适应度函数值较高，则模糊PID控制器的质量较好，此时谐波抑制后电流畸变值为最小值，改进遗传算法寻优目的即为适应度最大值，则

$ \hat I = \int\nolimits_0^\infty {\left| {\tilde i - {i_O}} \right|{\rm{d}}t}\text{。} $

(9)

4）交叉、选择、变异处理。交叉处理主要结合自适应交叉概率、目前迭代过程中种群适应度值均值G_avr、最大值G_max，自适应调节交叉概率。设置交叉概率后，根据交叉概率在种群里筛选个体(控制参数可行解)执行交叉处理，应用算术交叉算法执行交叉计算，若将交叉后个体的第 $ j $ 个基因执行变异。

2 仿真实验 2.1 实验环境设计

舰船电力系统使用4台分布式电源，功率因数为0.98，此电力系统属于舰船电力推进系统，其结构主要分为主推进器、侧推进器，具体结构简图如图3所示。电力推进系统属于独立性的电力系统，因为发电容量存在有限性，且遭到非线性负荷的负面影响，便会出现大量谐波电流，影响舰船电力推进系统正常运行。

2.2 谐波抑制效果测试

本文方法对图3的电力系统谐波检测结果如图4所示。舰船电力系统谐波污染下，电力系统电流存在明显畸变，若不进行有效抑制，便会导致电力系统的推进进程出现断续情况。

本文方法对图4的谐波执行抑制，抑制后的电力系统电流变化如图5所示。对比图4和图5可明显看出，本文方法对舰船电力系统谐波抑制后，电流畸变情况明显改变，电流污染得到有效解决。证明本文方法可用于舰船电力系统谐波抑制问题中，具备谐波抑制能力。

为深入分析本文方法所用的智能优化技术，对谐波抑制的必要性，分析本文方法使用改进遗传算法前后，模糊PID控制器的使用效果。实验中，在0.08 s时施加畸变电流，则测试结果如图6所示。分析可知，当0.08 s时施加畸变电流后，模糊PID控制器优化前，在0.10 s时才完成谐波抑制；而模糊PID控制器经改进遗传算法优化后，在0.085 s便可完成谐波抑制，由此证明，本文方法使用改进遗传算法，对模糊PID控制器执行参数优化设置，存在必要性。

3 结　语

针对舰船电力系统出现的谐波污染问题，本文提出基于智能优化技术的谐波抑制方法。此方法的创新之处在于应用改进遗传算法，优化设置模糊PID控制器的控制参数，实现电力系统谐波电流的自适应补偿抑制。经过实验验证，本文方法对舰船电力系统的谐波抑制效果，能够满足舰船电力系统谐波管理标准。