基于Elman最小均方（Elman Least Mean Square，ELMS）控制的电感耦合型配电静止同步补偿器（Inductively Coupled Distribution Static Compensator，IC-DSTATCOM）实现电能质量与稳定性提升

《Results in Engineering》：Power Quality With Stability Improvement by Using ELMS Controlled Inductively Coupled DSTATCOM

　　

本研究探讨了基于Elman最小均方（Elman Least Mean Square，ELMS）的电感耦合分布式静止补偿器（Inductively Coupled Distributed Static Compensator，IC-DSTATCOM）。实施过程分为两部分：首先基于阻抗匹配原理，利用电感滤波变压器（Inductive Filtering Transformer，IFT）确定源电流、负载电流与滤波电流；其次采用六个ELMS子网络结构分别处理三相的直轴（d轴）与交轴（q轴）分量，以改善动态响应。研究人员在多种动态场景下（包括源电流谐波衰减、功率因数（Power Factor，PF）改善、电压调节、电压平衡及直流侧电压控制）对比了IC-DSTATCOM与传统直接耦合分布式静止补偿器（Direct Coupled DSTATCOM，DC-DSTATCOM）的性能。为验证实验结论，研究人员按规范搭建了一台10 kVA、230 V、50 Hz的IC-DSTATCOM与DC-DSTATCOM样机。

研究背景方面，随着电力电子装置大量接入，非线性负荷引起的电能质量（Power Quality，PQ）退化问题日益突出，IEEE标准对配电网补偿装置提出更高要求。传统直接耦合配电静止同步补偿器（Direct Coupled DSTATCOM，DC-DSTATCOM）虽能实现谐波治理与无功支撑，但缺乏电气隔离与线路阻抗匹配能力，短路保护弱、热应力大。为此，研究人员引入电感滤波变压器（Inductive Filtering Transformer，IFT）构成功率分配网络（Power Distribution Network，PDN）中的阻抗匹配接口，将DC-DSTATCOM升级为电感耦合型IC-DSTATCOM，并配以Elman最小均方（Elman Least Mean Square，ELMS）神经网络控制器，在《Results in Engineering》报道了该集成方案。

关键技术方法上，研究人员采用Y/Δ/Y接线IFT实现三次谐波闭环与高低次谐波抑制；将三相电流按匝数比N₁、N₂、N₃解耦至原边（Primary Winding，PW）、副边（Secondary Winding，SW）与滤波绕组（Filtering Winding，FW）；设计含六个子网的ELMS结构，分别估计各相有功权重w_p与无功权重w_q，由单位电压u_p、u_q与平均权重合成参考源电流i^*_s，再经滞环电流控制器（Hysteresis Current Controller，HCC）生成电压源逆变器（Voltage Source Inverter，VSI）开关信号；仿真与10 kVA/230 V/50 Hz样机实验对照DC-DSTATCOM进行验证。

研究结果部分，按原文小节叙述如下。

1.4 文章结构布局中指明，第2节给出PQ评估与VSI、IFT、IC-DSTATCOM设计，第3节给出ELMS数学推导，第4节为多场景PQ研究，第5节为实验验证，第6节为结论。

1. 2.
   简要电能质量评估中，依据功率可接受曲线（Power Acceptability Curve，PAC）界定电压容限，给出含IFT的PDN拓扑，IFT三绕组电流平衡方程N₁i_sp+N₂i_ls+N₃i_cf=0确保磁势平衡。

2.2 IFT模型设计中，PW接电源、SW接负载、FW接VSI，IFT承担阻抗匹配使公共连接点（Point of Common Coupling，PCC）电压恒定，三次谐波作励磁闭环流通。

2.3 ELMS结构设计中，ELMS内部含生物神经元联接（突触权重、偏置、 dendrites、soma、axon），八步流程完成变量初始化、单位电压计算、权重更新与收敛判断，便于在dSPACE 1104上模数混合实时实现。

1. 3.
   ELMS算法推导中，给出q轴权重Wⁿ_qα等更新式含学习率α、γ、误差e_qa(n)=α{i_lqα(n)?i_lqA(n)}与隐层反馈h^n?1_k，同理得p轴权重；由w_r=(w_qa+w_qb+w_qc)/3与w_a得平均有功/无功分量，结合u_pa=v_sa/v_t（v_t=√((2(v²_sa+v²_sb+v²_sc))/3)）与u_q派生命令，最终i^*_sa=w_spu_pa+w_squ_qa。直流侧权重w_cp=k_pav_de+k_ia∫v_dedt调节v_dc。

3.1 DC-DSTATCOM的PQ研究中，0.55–0.65 s切除a相负载的失衡场景下，源电流总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）降至4.51%，负载电流THD为27.90%，直流侧稳于640 V，功率因数达0.94，PCC电压平衡良好。

3.2 IC-DSTATCOM的PQ研究中，相同动态工况下IFT提供隔离与阻抗匹配，源电流THD进一步受控，直流侧电压波动更小，电压调节与不平衡补偿优于DC-DSTATCOM。

第5节实验部分（原文未展开数值）以10 kVA样机确认上述仿真趋势。

讨论与结论翻译：研究人员得出结论，IFT作为PDN阻抗匹配装置与DC-DSTATCOM协同可高效抑制非线性行为；所提IC-DSTATCOM在可靠性、成本、环境与技术指标间取得平衡；ELMS算法在降低计算负担的同时提升IC-DSTATCOM的PQ治理效果，源侧谐波、功率因数、电压调节、电压平衡及直流侧控制均满足动态场景要求，较DC-DSTATCOM具明确优势。