一種三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階pi優(yōu)化控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PI優(yōu)化控制方法，本發(fā)明通過機(jī)理分析法和坐標(biāo)變換法建立三相電壓源型逆變系統(tǒng)的dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)兩個(gè)分?jǐn)?shù)階PI控制器實(shí)現(xiàn)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，采用雙閉環(huán)跟蹤誤差的絕對(duì)值與時(shí)間的乘積和系統(tǒng)輸出電壓波形總諧波畸變率的加權(quán)疊加作為評(píng)估控制性能的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并設(shè)計(jì)基于實(shí)數(shù)編碼的自適應(yīng)極值優(yōu)化求解器實(shí)現(xiàn)兩個(gè)分?jǐn)?shù)階PI控制器多控制參數(shù)的優(yōu)化整定；采用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)三相電壓源型逆變系統(tǒng)輸出波形的優(yōu)化控制，三相電壓源型逆變系統(tǒng)輸出波形具有更低的電壓波形總諧波畸變率、更小的跟蹤誤差和更佳的魯棒性等控制性能。
【專利說明】
一種三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PI優(yōu)化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域智能控制技術(shù)，尤其涉及一種三相電壓源型逆變系 統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PI優(yōu)化控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 三相電壓源型逆變系統(tǒng)在實(shí)際工程中應(yīng)用非常廣泛。工業(yè)界不僅對(duì)三相逆變系統(tǒng) 的體積、重量和電磁兼容等有基本要求，而且在系統(tǒng)過載能力、抗負(fù)載啟動(dòng)沖擊能力、輸出 電壓波形質(zhì)量和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能等方面都有較高的要求。其中，輸出電壓波形控制技術(shù)是三 相逆變系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于PID控制器具有概念明晰、實(shí)現(xiàn)簡單、魯棒性強(qiáng)等優(yōu) 點(diǎn)，因此在電力電子控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。逆變系統(tǒng)的PID控制的基本原理是結(jié)合 參考正弦波的前饋控制與輸出電壓誤差的PID控制，從而改善輸出波形的質(zhì)量和提高逆變 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。目前，工業(yè)界主要采用基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的工程整定方法實(shí)現(xiàn)PID控制器 參數(shù)整定，要求工程設(shè)計(jì)人員具有較豐富的經(jīng)驗(yàn)，尤其針對(duì)復(fù)雜工程系統(tǒng)或者復(fù)雜動(dòng)態(tài)工 況僅憑經(jīng)驗(yàn)的整定方法難以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
[0003] 分?jǐn)?shù)階PID控制器在傳統(tǒng)整數(shù)階PID控制器的基礎(chǔ)上，通過引入分?jǐn)?shù)階積分階次和 分?jǐn)?shù)階微分階次兩個(gè)可調(diào)參數(shù)，使得閉環(huán)控制系統(tǒng)的綜合控制性能得到了明顯的提升，因 此近年來分?jǐn)?shù)階PID控制器受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研發(fā)應(yīng)用，相關(guān)理論成果 在一些實(shí)際工業(yè)控制系統(tǒng)中得到了較為成功的應(yīng)用，但在三相逆變系統(tǒng)等電力電子系統(tǒng)中 的應(yīng)用研究還鮮有報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種三相多電平電壓源型逆變系統(tǒng) 分?jǐn)?shù)階PI優(yōu)化控制方法。
[0005] 本發(fā)明的目的是通過以下方案來實(shí)現(xiàn)的：一種三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PI優(yōu) 化控制方法，該方法包括以下步驟：
[0006] (1)通過機(jī)理分析法和坐標(biāo)變換法建立三相電壓源型逆變系統(tǒng)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué) 模型及雙閉環(huán)控制模型，設(shè)置優(yōu)化求解器的參數(shù)值(包括最大迭代優(yōu)化次數(shù)I max，種群規(guī)模 N)；
[0007] (2)隨機(jī)生成一個(gè)在三相電壓源型逆變系統(tǒng)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控 制器優(yōu)化變量下限Pl和上限Pli之間范圍內(nèi)的實(shí)數(shù)編碼且均勻分布的初始種群P={Pi = (Pn-PL)*Ri+PL，i = l，2,…，N}，其中Ri表示在[0，1]范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機(jī)數(shù)，第i個(gè) 個(gè)體Pi= (Kpii，Km，Au，KP2i，Ki2i，hi)，Kpii，Km ,λη分別表不第i個(gè)電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控 制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系數(shù)，κρ2ι，κ ι2ι，λ2ι分別表示第i個(gè)電流內(nèi)環(huán) 分?jǐn)?shù)階PI控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系數(shù)，電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器的 傳遞函數(shù)表達(dá)式為G?分，電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器的傳遞函數(shù)表達(dá)式為 〇)=心:+ /^^1([)1，1(11，人1分別表示電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階131控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分 數(shù)階積分的階次系數(shù)，1^2，1(12，12分別表示電流內(nèi)環(huán)分?jǐn)?shù)階？1控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分 數(shù)階積分的階次系數(shù)；
[0008] (3)按照式（1)對(duì)種群P中的每一個(gè)個(gè)體Pi，i = 1，2，…，N，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)Fi計(jì)算評(píng) 價(jià)，并將種群中當(dāng)前最小的目標(biāo)函數(shù)值設(shè)置為F^t，將對(duì)應(yīng)的個(gè)體設(shè)置為當(dāng)前最好解Sbe3st;
[0010] 其中，的和^分別表示電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的跟蹤誤差，t表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)刻值， Tmir^T分別表示三相逆變系統(tǒng)運(yùn)行的初始時(shí)間和終止時(shí)間，很^叮脳分別表示逆變系 統(tǒng)輸出的電壓波形和電流波形的總諧波畸變率，wjPw 2表示權(quán)重系數(shù)，并滿MW1+W2 = 1。
[0011] (4)按照式(2) -(4)對(duì)種群P中的每一個(gè)個(gè)體Pi，? = 1，2，···，Ν，執(zhí)行自適應(yīng)多點(diǎn)非 均勾變異，從而產(chǎn)生新的種群px= {pXi，i = l，2,…，Ν};
[0013] P(k) = [r2( 1-k/Imax) ]a (3)
[0014] a = 5-2k/Imax (4)
[0015] 其中，rhrdPn都是在[0，1]范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機(jī)數(shù)，k表示優(yōu)化求解器當(dāng) 前的迭代次數(shù)，Imax為設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)定的最大迭代優(yōu)化次數(shù)；
[0016] (5)按照式（1)對(duì)種群Pn中的每一個(gè)個(gè)體Pxi，? = 1，2，···，Ν，進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)Fxi計(jì)算 評(píng)價(jià)，得到Px中最好適應(yīng)度值Fxb=min{FXi，i = 1，2，…，N}，將對(duì)應(yīng)的個(gè)體設(shè)置為當(dāng)前最好解 Sxb；
[001 7] (6)若Fbest彡Fa，則設(shè)置為Fbest = Fxb，Sbest= Sa;否則保持原有Fbest和Sbest不變；
[0018] (7)無條件接受P = Px，且PN = Sbest;
[0019] (8)重復(fù)步驟(3)-(7)直到滿足設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)定的最大迭代優(yōu)化次數(shù)Imax終止條 件；
[0020] (9)輸出最終的最佳適應(yīng)度值Fbest和最佳分?jǐn)?shù)階PI控制器參數(shù)Sbest^Kp^KuA， Κρ2，Κι2，λ2)，將其傳輸至三相電壓源型逆變系統(tǒng)控制器中，設(shè)計(jì)人員通過示波器獲得三相電 壓源型逆變系統(tǒng)的輸出電壓和電流波形及其對(duì)應(yīng)的總諧波畸變率。
[0021] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)三相電壓源型逆變系統(tǒng)輸出波形的優(yōu)化控 制，具有現(xiàn)有技術(shù)所不具備的以下優(yōu)點(diǎn)：三相電壓源型逆變系統(tǒng)輸出波形具有更低的系統(tǒng) 輸出電壓波形總諧波畸變率(THD)、更小的跟蹤誤差和更佳的魯棒性等控制性能，可實(shí)現(xiàn)分 數(shù)階ΡΙ控制器參數(shù)的高效優(yōu)化整定，且優(yōu)化求解器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法更簡單。
【附圖說明】
[0022]圖1是三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階ΡΙ優(yōu)化控制方法的原理示意圖；
[0023]圖2是三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階ΡΙ控制器參數(shù)自動(dòng)整定的優(yōu)化求解器原理 圖；
[0024] 圖3是本發(fā)明實(shí)施后的目標(biāo)函數(shù)值優(yōu)化過程曲線；
[0025] 圖4是本發(fā)明實(shí)施后的三相電源型逆變系統(tǒng)的輸出電壓波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明的目的和效果將更加明顯。
[0027] 圖1是三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PI優(yōu)化控制方法的原理示意圖，其中Vref表示 參考電壓，Irrf表示參考電流。
[0028]圖2是三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PI控制器參數(shù)自動(dòng)整定的優(yōu)化求解器原理 圖。
[0029]以15kW三相電源型逆變系統(tǒng)為例，采用本發(fā)明提出的三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù) 階PI優(yōu)化控制方法進(jìn)行實(shí)施。
[0030] 所述的三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PI優(yōu)化控制方法，包括以下步驟：
[0031] (1)通過機(jī)理分析法和坐標(biāo)變換法建立三相電壓源型逆變系統(tǒng)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué) 模型及雙閉環(huán)控制模型，設(shè)置優(yōu)化求解器的參數(shù)值(包括最大迭代優(yōu)化次數(shù)Imax = 50,種群 規(guī)模N = 20); (2)隨機(jī)生成一個(gè)在三相電壓源型逆變系統(tǒng)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控 制器中優(yōu)化變量的下限Pl= [0,0,0,0,0,0]和上限Pu= [5,150,2,5，150,2]之間范圍內(nèi)的實(shí) 數(shù)編碼且均勻分布的初始種群P={Pi=(Pu-PL)*Ri+P L，i = l，2,…，Ν}，其中Ri表示在[0，1] 范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機(jī)數(shù)，第i個(gè)個(gè)體 別表示第i個(gè)電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系數(shù)，Kp2l， Κι2ι，λ2ι分別表示第i個(gè)電流內(nèi)環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系 數(shù)，電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器的傳遞函數(shù)表達(dá)式為^^(4=夂電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI 控制器的傳遞函數(shù)表達(dá)式為巧2眾)=+X,:3f，Kpl，Ku，&分別表示電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階ΡΙ控 制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系數(shù)，Κ ρ2，Κι2，λ2分別表示電流內(nèi)環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控 制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系數(shù)；
[0032] (3)按照式（1)對(duì)種群Ρ中的每一個(gè)個(gè)體Pi，i = 1，2，…，Ν，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)Fi計(jì)算評(píng) 價(jià)，并將種群中當(dāng)前最小的目標(biāo)函數(shù)值設(shè)置為F^t，將對(duì)應(yīng)的個(gè)體設(shè)置為當(dāng)前最好解Sbe3st;
[0034] 其中，的和^分別表示電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的跟蹤誤差，t表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)刻值， Tmir^T分別表示三相逆變系統(tǒng)運(yùn)行的初始時(shí)間和終止時(shí)間，很^叮脳分別表示逆變系 統(tǒng)輸出的電壓波形和電流波形的總諧波畸變率，wjPw 2表示權(quán)重系數(shù)，并滿足奶+?2 = 1，在 本實(shí)施例中wi = 〇. 1，W2 = 0.9。
[0035] (4)按照式(2) - (4)對(duì)種群P中的每一個(gè)個(gè)體Pi，i = 1，2，…，N執(zhí)行自適應(yīng)多點(diǎn)非均 勾變異，從而產(chǎn)生新的種群Px= {Pxi，i = l，2,…，Ν};
[0037] e(k) = [r2(l-k/Imax)]a (3)
[0038] a = 5-2k/Imax (4)
[0039] 其中ri、r#Pr3都是在[0，1]范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機(jī)數(shù)，k表示優(yōu)化求解器當(dāng)前 的迭代次數(shù)，Imax為設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)定的最大迭代優(yōu)化次數(shù)；
[0040] (5)按照式（1)對(duì)種群Pn中的每一個(gè)個(gè)體Pxi，i = 1，2，…，N進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)Fxi計(jì)算 評(píng)價(jià)，得到Px中最好適應(yīng)度值Fxb=min{FXi，i = 1，2，…，N}，將對(duì)應(yīng)的個(gè)體設(shè)置為當(dāng)前最好解 Sxb；
[0041] (6)若 Fbest 彡 Fa,則設(shè)置為 Fbest = Fxb，Sbest=S)ib;否則保持原有 Fbest 和 Sbest 不變；
[0042] (7)無條件接受P = Px，且PN = Sbest;
[0043] (8)重復(fù)步驟(3)-(7)直到滿足設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)定的最大迭代優(yōu)化次數(shù)Imax終止條 件；
[0044] (9)輸出最終的最佳適應(yīng)度值Fbest = 0.0039和最佳分?jǐn)?shù)階PI控制器參數(shù)Sbest = (1(1)1，1(山入1，1(1)2，1^2，入 2) = (0.059,94.037,0.900,4.780,49.169，1.100)，將其傳輸至三相 電壓源型逆變系統(tǒng)控制器中，設(shè)計(jì)人員通過示波器獲得三相電壓源型逆變系統(tǒng)的輸出電壓 和電流波形及其對(duì)應(yīng)的總諧波畸變率。
[0045]圖3是本發(fā)明實(shí)施后的目標(biāo)函數(shù)值優(yōu)化過程曲線，圖4是本發(fā)明實(shí)施后的三相電源 型逆變系統(tǒng)的輸出電壓波形圖。通過在不同負(fù)載類型、負(fù)載突增和突卸等多種情形下的實(shí) 驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn):采用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)三相電壓源型逆變系統(tǒng)波形的優(yōu)化控制，具有現(xiàn)有技術(shù)所 不具備的以下優(yōu)點(diǎn):三相電壓源型逆變系統(tǒng)輸出波形具有更低的THD、更小的跟蹤誤差和更 佳的魯棒性等控制性能，并可實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)階PI控制器多參數(shù)的高效優(yōu)化整定，且優(yōu)化求解器 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)更簡單。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種三相電壓源型逆變系統(tǒng)分?jǐn)?shù)階PI優(yōu)化控制方法，其特征在于，該方法包括以下 步驟： (1) 通過機(jī)理分析法和坐標(biāo)變換法建立三相電壓源型逆變系統(tǒng)dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型 及雙閉環(huán)控制模型，并設(shè)置優(yōu)化求解器的參數(shù)值(包括最大迭代優(yōu)化次數(shù)I max和種群規(guī)模 N)； (2) 隨機(jī)生成一個(gè)在三相電壓源型逆變系統(tǒng)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器優(yōu)化 變量下限Pl和上限Pli之間范圍內(nèi)的實(shí)數(shù)編碼且均勻分布的初始種群P={Pi=(Pii-PL)*Ri+ ?^4 = 1，2，~』}，其中心表示在[0，1]范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機(jī)數(shù)，第1個(gè)個(gè)體?1=(1([^， Km ，KPu，Kiii ,λη分別表不第i個(gè)電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器比例系數(shù)、積 分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系數(shù)，Κρ2ι，Κι2ι，λ2ι分別表示第i個(gè)電流內(nèi)環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器比例 系數(shù)、積分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系數(shù)，電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器的傳遞函數(shù)表達(dá)式為 化辦）二& +盡^，電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器的傳遞函數(shù)表達(dá)式為匕(5)=+^,J-七， KaKu，^分別表示電壓外環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系數(shù)， Κρ2，Κι2，λ2分別表示電流內(nèi)環(huán)分?jǐn)?shù)階PI控制器比例系數(shù)、積分系數(shù)、分?jǐn)?shù)階積分的階次系數(shù)； (3) 按照式（1)對(duì)種群Ρ中的每一個(gè)個(gè)體Pi，? = 1，2，···，Ν，進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)Fi計(jì)算評(píng)價(jià)，并 將種群中當(dāng)前最小的目標(biāo)函數(shù)值設(shè)置為Fb(3St，將對(duì)應(yīng)的個(gè)體設(shè)置為當(dāng)前最好解S be3st; 1JT 、| 1 1 j Z P 2 v ' i.2 / V. r 其中，的和的分別表示電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的跟蹤誤差，t表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)刻值，Tmin和 Tmax分別表示三相逆變系統(tǒng)運(yùn)行的初始時(shí)間和終止時(shí)間，THDjPTHD2分別表示逆變系統(tǒng)輸出 的電壓波形和電流波形的總諧波畸變率，W1和W2表示權(quán)重系數(shù)，并滿足Wl+W2= 1。 (4) 按照式(2)-(4)對(duì)種群P中的每一個(gè)個(gè)體Pi，i = 1,2，···，N，執(zhí)行自適應(yīng)多點(diǎn)非均勻變 異，從而產(chǎn)生新的種群Px= {Pxi，i = l，2,…，N};0(k) = [r2(l_k/Imax)]a (3) a = 5-2k/Imax (4) 其中ri、r#pr3都是在[0，1]范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機(jī)數(shù)，k表示優(yōu)化求解器當(dāng)前的迭 代次數(shù)，Imax為設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)定的最大迭代優(yōu)化次數(shù)； (5) 按照式（1)對(duì)種群Pn中的每一個(gè)個(gè)體Pxi 4 = 1，2，···，Ν，進(jìn)行適應(yīng)度函數(shù)Fxi計(jì)算評(píng) 價(jià)，得到Px中最好適應(yīng)度值Fxb = min {FXi，i = 1，2，…，N}，將對(duì)應(yīng)的個(gè)體設(shè)置為當(dāng)前最好解 Sxb； (6 )若Fbest彡Fa，則設(shè)置為Fbest = Fxb，Sbest = Sxb ;否則保持原有Fbest和Sbest不變； (7 )無條件接受P = Px，且PN = Sbest; (8) 重復(fù)步驟(3)-(7)直到滿足設(shè)計(jì)人員預(yù)先設(shè)定的最大迭代優(yōu)化次數(shù)Imax終止條件； (9) 輸出最終的最佳適應(yīng)度值Fbe3St和最佳分?jǐn)?shù)階PI控制器參數(shù) Κι2，λ2)，將其傳輸至三相電壓源型逆變系統(tǒng)控制器中，設(shè)計(jì)人員通過示波器獲得三相電壓 源型逆變系統(tǒng)的輸出電壓和電流波形及其對(duì)應(yīng)的總諧波畸變率。
【文檔編號(hào)】G05B13/04GK105867126SQ201610226537
【公開日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年4月12日
【發(fā)明人】曾國強(qiáng), 王琳, 王環(huán), 李理敏, 吳烈, 戴瑜興, 謝曉青, 劉海洋
【申請(qǐng)人】溫州大學(xué)