一种三相电压源型逆变系统分数阶pi优化控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种三相电压源型逆变系统分数阶PI优化控制方法，本发明通过机理分析法和坐标变换法建立三相电压源型逆变系统的dq坐标系下的数学模型，设计两个分数阶PI控制器实现电压外环和电流内环的双闭环控制，采用双闭环跟踪误差的绝对值与时间的乘积和系统输出电压波形总谐波畸变率的加权叠加作为评估控制性能的优化目标函数，并设计基于实数编码的自适应极值优化求解器实现两个分数阶PI控制器多控制参数的优化整定；采用本发明可实现三相电压源型逆变系统输出波形的优化控制，三相电压源型逆变系统输出波形具有更低的电压波形总谐波畸变率、更小的跟踪误差和更佳的鲁棒性等控制性能。
【专利说明】
一种三相电压源型逆变系统分数阶PI优化控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子技术领域智能控制技术，尤其涉及一种三相电压源型逆变系 统分数阶PI优化控制方法。
【背景技术】
[0002] 三相电压源型逆变系统在实际工程中应用非常广泛。工业界不仅对三相逆变系统 的体积、重量和电磁兼容等有基本要求，而且在系统过载能力、抗负载启动冲击能力、输出 电压波形质量和系统动态性能等方面都有较高的要求。其中，输出电压波形控制技术是三 相逆变系统设计的关键技术之一。由于PID控制器具有概念明晰、实现简单、鲁棒性强等优 点，因此在电力电子控制系统中得到了广泛的应用。逆变系统的PID控制的基本原理是结合 参考正弦波的前馈控制与输出电压误差的PID控制，从而改善输出波形的质量和提高逆变 系统的动态响应性能。目前，工业界主要采用基于经验规则的工程整定方法实现PID控制器 参数整定，要求工程设计人员具有较丰富的经验，尤其针对复杂工程系统或者复杂动态工 况仅凭经验的整定方法难以实现系统的优化设计。
[0003] 分数阶PID控制器在传统整数阶PID控制器的基础上，通过引入分数阶积分阶次和 分数阶微分阶次两个可调参数，使得闭环控制系统的综合控制性能得到了明显的提升，因 此近年来分数阶PID控制器受到了学术界和工业界的广泛关注和研发应用，相关理论成果 在一些实际工业控制系统中得到了较为成功的应用，但在三相逆变系统等电力电子系统中 的应用研究还鲜有报道。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种三相多电平电压源型逆变系统 分数阶PI优化控制方法。
[0005] 本发明的目的是通过以下方案来实现的：一种三相电压源型逆变系统分数阶PI优 化控制方法，该方法包括以下步骤：
[0006] (1)通过机理分析法和坐标变换法建立三相电压源型逆变系统dq坐标系下的数学 模型及双闭环控制模型，设置优化求解器的参数值(包括最大迭代优化次数I max，种群规模 N)；
[0007] (2)随机生成一个在三相电压源型逆变系统电压外环和电流内环分数阶PI控 制器优化变量下限Pl和上限Pli之间范围内的实数编码且均匀分布的初始种群P={Pi = (Pn-PL)*Ri+PL，i = l，2,…，N}，其中Ri表示在[0，1]范围内产生的均匀分布随机数，第i个 个体Pi= (Kpii，Km，Au，KP2i，Ki2i，hi)，Kpii，Km ,λη分别表不第i个电压外环分数阶PI控 制器比例系数、积分系数、分数阶积分的阶次系数，κρ2ι，κ ι2ι，λ2ι分别表示第i个电流内环 分数阶PI控制器比例系数、积分系数、分数阶积分的阶次系数，电压外环分数阶PI控制器的 传递函数表达式为G?分，电压外环分数阶PI控制器的传递函数表达式为 〇)=心:+ /^^1([)1，1(11，人1分别表示电压外环分数阶131控制器比例系数、积分系数、分 数阶积分的阶次系数，1^2，1(12，12分别表示电流内环分数阶？1控制器比例系数、积分系数、分 数阶积分的阶次系数；
[0008] (3)按照式（1)对种群P中的每一个个体Pi，i = 1，2，…，N，进行目标函数Fi计算评 价，并将种群中当前最小的目标函数值设置为F^t，将对应的个体设置为当前最好解Sbe3st;
[0010] 其中，的和^分别表示电压外环和电流内环的跟踪误差，t表示系统运行时刻值， Tmir^T分别表示三相逆变系统运行的初始时间和终止时间，很^叮脳分别表示逆变系 统输出的电压波形和电流波形的总谐波畸变率，wjPw 2表示权重系数，并满MW1+W2 = 1。
[0011] (4)按照式(2) -(4)对种群P中的每一个个体Pi，? = 1，2，···，Ν，执行自适应多点非 均勾变异，从而产生新的种群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]范围内产生的均匀分布随机数，k表示优化求解器当 前的迭代次数，Imax为设计人员预先设定的最大迭代优化次数；
[0016] (5)按照式（1)对种群Pn中的每一个个体Pxi，? = 1，2，···，Ν，进行适应度函数Fxi计算 评价，得到Px中最好适应度值Fxb=min{FXi，i = 1，2，…，N}，将对应的个体设置为当前最好解 Sxb；
[001 7] (6)若Fbest彡Fa，则设置为Fbest = Fxb，Sbest= Sa;否则保持原有Fbest和Sbest不变；
[0018] (7)无条件接受P = Px，且PN = Sbest;
[0019] (8)重复步骤(3)-(7)直到满足设计人员预先设定的最大迭代优化次数Imax终止条 件；
[0020] (9)输出最终的最佳适应度值Fbest和最佳分数阶PI控制器参数Sbest^Kp^KuA， Κρ2，Κι2，λ2)，将其传输至三相电压源型逆变系统控制器中，设计人员通过示波器获得三相电 压源型逆变系统的输出电压和电流波形及其对应的总谐波畸变率。
[0021] 本发明的有益效果是：本发明可实现三相电压源型逆变系统输出波形的优化控 制，具有现有技术所不具备的以下优点：三相电压源型逆变系统输出波形具有更低的系统 输出电压波形总谐波畸变率(THD)、更小的跟踪误差和更佳的鲁棒性等控制性能，可实现分 数阶ΡΙ控制器参数的高效优化整定，且优化求解器设计与实现方法更简单。
【附图说明】
[0022]图1是三相电压源型逆变系统分数阶ΡΙ优化控制方法的原理示意图；
[0023]图2是三相电压源型逆变系统分数阶ΡΙ控制器参数自动整定的优化求解器原理 图；
[0024] 图3是本发明实施后的目标函数值优化过程曲线；
[0025] 图4是本发明实施后的三相电源型逆变系统的输出电压波形图。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明进一步说明，本发明的目的和效果将更加明显。
[0027] 图1是三相电压源型逆变系统分数阶PI优化控制方法的原理示意图，其中Vref表示 参考电压，Irrf表示参考电流。
[0028]图2是三相电压源型逆变系统分数阶PI控制器参数自动整定的优化求解器原理 图。
[0029]以15kW三相电源型逆变系统为例，采用本发明提出的三相电压源型逆变系统分数 阶PI优化控制方法进行实施。
[0030] 所述的三相电压源型逆变系统分数阶PI优化控制方法，包括以下步骤：
[0031] (1)通过机理分析法和坐标变换法建立三相电压源型逆变系统dq坐标系下的数学 模型及双闭环控制模型，设置优化求解器的参数值(包括最大迭代优化次数Imax = 50,种群 规模N = 20); (2)随机生成一个在三相电压源型逆变系统电压外环和电流内环分数阶PI控 制器中优化变量的下限Pl= [0,0,0,0,0,0]和上限Pu= [5,150,2,5，150,2]之间范围内的实 数编码且均匀分布的初始种群P={Pi=(Pu-PL)*Ri+P L，i = l，2,…，Ν}，其中Ri表示在[0，1] 范围内产生的均匀分布随机数，第i个个体 别表示第i个电压外环分数阶PI控制器比例系数、积分系数、分数阶积分的阶次系数，Kp2l， Κι2ι，λ2ι分别表示第i个电流内环分数阶PI控制器比例系数、积分系数、分数阶积分的阶次系 数，电压外环分数阶PI控制器的传递函数表达式为^^(4=夂电压外环分数阶PI 控制器的传递函数表达式为巧2众)=+X,:3f，Kpl，Ku，&分别表示电压外环分数阶ΡΙ控 制器比例系数、积分系数、分数阶积分的阶次系数，Κ ρ2，Κι2，λ2分别表示电流内环分数阶PI控 制器比例系数、积分系数、分数阶积分的阶次系数；
[0032] (3)按照式（1)对种群Ρ中的每一个个体Pi，i = 1，2，…，Ν，进行目标函数Fi计算评 价，并将种群中当前最小的目标函数值设置为F^t，将对应的个体设置为当前最好解Sbe3st;
[0034] 其中，的和^分别表示电压外环和电流内环的跟踪误差，t表示系统运行时刻值， Tmir^T分别表示三相逆变系统运行的初始时间和终止时间，很^叮脳分别表示逆变系 统输出的电压波形和电流波形的总谐波畸变率，wjPw 2表示权重系数，并满足奶+?2 = 1，在 本实施例中wi = 〇. 1，W2 = 0.9。
[0035] (4)按照式(2) - (4)对种群P中的每一个个体Pi，i = 1，2，…，N执行自适应多点非均 勾变异，从而产生新的种群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]范围内产生的均匀分布随机数，k表示优化求解器当前 的迭代次数，Imax为设计人员预先设定的最大迭代优化次数；
[0040] (5)按照式（1)对种群Pn中的每一个个体Pxi，i = 1，2，…，N进行适应度函数Fxi计算 评价，得到Px中最好适应度值Fxb=min{FXi，i = 1，2，…，N}，将对应的个体设置为当前最好解 Sxb；
[0041] (6)若 Fbest 彡 Fa,则设置为 Fbest = Fxb，Sbest=S)ib;否则保持原有 Fbest 和 Sbest 不变；
[0042] (7)无条件接受P = Px，且PN = Sbest;
[0043] (8)重复步骤(3)-(7)直到满足设计人员预先设定的最大迭代优化次数Imax终止条 件；
[0044] (9)输出最终的最佳适应度值Fbest = 0.0039和最佳分数阶PI控制器参数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)，将其传输至三相 电压源型逆变系统控制器中，设计人员通过示波器获得三相电压源型逆变系统的输出电压 和电流波形及其对应的总谐波畸变率。
[0045]图3是本发明实施后的目标函数值优化过程曲线，图4是本发明实施后的三相电源 型逆变系统的输出电压波形图。通过在不同负载类型、负载突增和突卸等多种情形下的实 验，可以发现:采用本发明可实现三相电压源型逆变系统波形的优化控制，具有现有技术所 不具备的以下优点:三相电压源型逆变系统输出波形具有更低的THD、更小的跟踪误差和更 佳的鲁棒性等控制性能，并可实现分数阶PI控制器多参数的高效优化整定，且优化求解器 的设计与实现更简单。
【主权项】
1. 一种三相电压源型逆变系统分数阶PI优化控制方法，其特征在于，该方法包括以下 步骤： (1) 通过机理分析法和坐标变换法建立三相电压源型逆变系统dq坐标系下的数学模型 及双闭环控制模型，并设置优化求解器的参数值(包括最大迭代优化次数I max和种群规模 N)； (2) 随机生成一个在三相电压源型逆变系统电压外环和电流内环分数阶PI控制器优化 变量下限Pl和上限Pli之间范围内的实数编码且均匀分布的初始种群P={Pi=(Pii-PL)*Ri+ ?^4 = 1，2，~』}，其中心表示在[0，1]范围内产生的均匀分布随机数，第1个个体?1=(1([^， Km ，KPu，Kiii ,λη分别表不第i个电压外环分数阶PI控制器比例系数、积 分系数、分数阶积分的阶次系数，Κρ2ι，Κι2ι，λ2ι分别表示第i个电流内环分数阶PI控制器比例 系数、积分系数、分数阶积分的阶次系数，电压外环分数阶PI控制器的传递函数表达式为 化办）二& +尽^，电压外环分数阶PI控制器的传递函数表达式为匕(5)=+^,J-七， KaKu，^分别表示电压外环分数阶PI控制器比例系数、积分系数、分数阶积分的阶次系数， Κρ2，Κι2，λ2分别表示电流内环分数阶PI控制器比例系数、积分系数、分数阶积分的阶次系数； (3) 按照式（1)对种群Ρ中的每一个个体Pi，? = 1，2，···，Ν，进行目标函数Fi计算评价，并 将种群中当前最小的目标函数值设置为Fb(3St，将对应的个体设置为当前最好解S be3st; 1JT 、| 1 1 j Z P 2 v ' i.2 / V. r 其中，的和的分别表示电压外环和电流内环的跟踪误差，t表示系统运行时刻值，Tmin和 Tmax分别表示三相逆变系统运行的初始时间和终止时间，THDjPTHD2分别表示逆变系统输出 的电压波形和电流波形的总谐波畸变率，W1和W2表示权重系数，并满足Wl+W2= 1。 (4) 按照式(2)-(4)对种群P中的每一个个体Pi，i = 1,2，···，N，执行自适应多点非均匀变 异，从而产生新的种群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]范围内产生的均匀分布随机数，k表示优化求解器当前的迭 代次数，Imax为设计人员预先设定的最大迭代优化次数； (5) 按照式（1)对种群Pn中的每一个个体Pxi 4 = 1，2，···，Ν，进行适应度函数Fxi计算评 价，得到Px中最好适应度值Fxb = min {FXi，i = 1，2，…，N}，将对应的个体设置为当前最好解 Sxb； (6 )若Fbest彡Fa，则设置为Fbest = Fxb，Sbest = Sxb ;否则保持原有Fbest和Sbest不变； (7 )无条件接受P = Px，且PN = Sbest; (8) 重复步骤(3)-(7)直到满足设计人员预先设定的最大迭代优化次数Imax终止条件； (9) 输出最终的最佳适应度值Fbe3St和最佳分数阶PI控制器参数 Κι2，λ2)，将其传输至三相电压源型逆变系统控制器中，设计人员通过示波器获得三相电压 源型逆变系统的输出电压和电流波形及其对应的总谐波畸变率。
【文档编号】G05B13/04GK105867126SQ201610226537
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】曾国强, 王琳, 王环, 李理敏, 吴烈, 戴瑜兴, 谢晓青, 刘海洋
【申请人】温州大学