基于NSGA-II算法的弱电网LCL型并网逆变滤波器参数优化方法

本发明属于逆变滤波器领域，尤其是涉及一种基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法。

背景技术：

1、并网逆变器是支撑新能源并网的关键设备，相比于l与lc型滤波器，lcl型对高频谐波有更好的抑制效果，其具体性能与主要取决于lcl参数，因此滤波器参数的设计十分重要。但滤波器的参数设计要求的限制更多，而且计算量更大、准确性差；此外，由于是弱电网的条件，更需要综合考虑系统多运行工况下的安全性和控制鲁棒性。

2、早期滤波器设计方法依据大量工程经验，结合电磁特性采取试凑法进行参数设计，经过充分的实验结果并结合图解法，形成了传统的滤波器参数设计方法，如文献“xinboruan.control techniques for lcl-type grid-connected inverters.beijing,cn:science press,2015.”。

3、文献“s.jayalath and m.hanif,″an lcl-filter design with optimum totalinductance and capacitance,″in ieee transactions on power electronics,vol.33,no.8,pp.6687-6698,aug.2018.”中，对lcl滤波器中单个参数进行优化，但是无法保证整个系统的最优滤波效果。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，大大提高了滤波器的滤波效果与抗弱网能力。

2、一种基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，包括：

3、对弱电网下的单相逆变系统进行建模，将逆变侧电感l1、网侧电感l2、滤波电容c以及无源阻尼的电阻r作为待优化参数；

4、设置电感总值l、逆变侧电感l1、网侧电感l2、滤波电容c的界限约束；

5、构建开关频次谐波衰减比η、逆变端电感电流纹波δiripple、阻尼电阻功耗pr_loss和谐振频率fr的目标函数；

6、基于nsga-ii算法模型，将待优化参数作为决策变量，根据界限约束，对多个目标函数通过迭代优化得到最优解的参数解集，并从参数解集中挑取一组典型值作为优化解。

7、基于nsga-ii算法模型的决策变量为：

8、x＝[l1,l2,c,r]

9、该模型中对上述参数采用单一变量原则分析各个参数对系统的影响；参数变化均为线性增加，在传统试凑法的参数基础上进行变化。

10、界限约束中，电感总值l需要满足两个条件：第一，需要限制落在电感上的压降产生的最大电流；第二，需要削减电流的纹波，使其在允许范围内；即需要满足如下不等式约束：

11、

12、式中，vg_max、ig_max为电网侧电压和电流峰值，vdc为直流侧电压，δiripple-ma为逆变侧最大电流纹波，fs为开关频率，ω0为电网频率。

13、逆变侧电感l1和网侧电感l2需满足以下约束：

14、

15、l1≥l2

16、式中，ts为开关周期，为电流纹波系数，为电感压降系数，ω0为电网频率，vin表示滤波器输入电压(即逆变侧输出电压)，il1表示逆变侧电感电流，vc表示滤波器电容节点电压，vg表示电网侧电压。

17、滤波电容c需满足以下约束：

18、

19、式中：po为网侧输出额定功率；ω0为电网频率；λc为电容无功功率对额定输出有功比；vg为电网侧电压。

20、目标函数中，开关频次谐波衰减比η是优先级最高的优化目标，如下式所示：

21、

22、式中，ig(s)为复频域下电网测电流表达式，il1(s)为复频域下逆变侧电感电流表达式，ωs为开关角频率，s＝jωs表示条件是当频率为开关角频率时。

23、目标函数中，需要最小化逆变端电感电流纹波：

24、

25、式中，逆变端输出电压vin≈vdc，vdc为直流电压，l1为逆变侧电感，fs为开关频率。

26、目标函数中，需要最小化阻尼电阻功耗pr_loss：

27、

28、式中，vg表示电网侧电压，ω0为电网频率。

29、目标函数中，为了满足lcl滤波器的低通特性，谐振频率选择：

30、

31、式中，fs、fr分别为开关频率与谐振频率，f0表示电网频率；由于关系到三个变量的条件并非线性，因此，用两个需要最小化的目标函数保证谐振频率的取值在允许范围：

32、f1＝10f0-fr

33、f2＝fr-0.5fs

34、最终，总的目标函数为min[η,δiripple,pr_loss,f1,f2]

35、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

36、本发明针对弱电网条件下的lcl型滤波器并网逆变系统的参数选择，采取了多目标优化的遗传算法(nsga-ii)。首先对弱电网下的单相逆变系统进行建模，分析了不同滤波器参数对系统稳定性的影响，提出了为了增强系统稳定性的参数解的选择标准。基于传统试凑法给出了参数的界限约束，并给出了针对系统的多个优化目标，从得出的优化解集中选出典型解。免去了大量试凑过程，增强了系统对弱网条件的抗性，在满足并网要求情况下进一步降低了谐波畸变率。

技术特征：

1.一种基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，其特征在于，基于nsga-ii算法模型的决策变量为：

3.根据权利要求1所述的基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，其特征在于，界限约束中，电感总值l需要满足两个条件：第一，需要限制落在电感上的压降产生的最大电流；第二，需要削减电流的纹波，使其在允许范围内；即需要满足如下不等式约束：

4.根据权利要求1所述的基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，其特征在于，界限约束中，逆变侧电感l1和网侧电感l2需满足以下约束：

5.根据权利要求1所述的基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，其特征在于，界限约束中，滤波电容c需满足以下约束：

6.根据权利要求1所述的基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，其特征在于，目标函数中，开关频次谐波衰减比η是优先级最高的优化目标，如下式所示：

7.根据权利要求1所述的基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，其特征在于，目标函数中，需要最小化逆变端电感电流纹波：

8.根据权利要求1所述的基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，其特征在于，目标函数中，需要最小化阻尼电阻功耗pr_loss：

9.根据权利要求1所述的基于nsga-ii算法的弱电网lcl型并网逆变滤波器参数优化方法，其特征在于，目标函数中，为了满足lcl滤波器的低通特性，谐振频率选择：

技术总结
本发明公开了一种基于NSGA‑II算法的弱电网LCL型并网逆变滤波器参数优化方法，包括：对弱电网下的单相逆变系统进行建模，将逆变侧电感L<subgt;1</subgt;、网侧电感L<subgt;2</subgt;、滤波电容C以及无源阻尼的电阻R作为待优化参数；设置电感总值L、逆变侧电感L<subgt;1</subgt;、网侧电感L<subgt;2</subgt;、滤波电容C的界限约束；构建开关频次谐波衰减比η、逆变端电感电流纹波ΔI<subgt;ripple</subgt;、阻尼电阻功耗P<subgt;R_loss</subgt;和谐振频率f<subgt;r</subgt;的目标函数；基于NSGA‑II算法模型，将待优化参数作为决策变量，根据界限约束，对多个目标函数通过迭代优化得到最优解的参数解集，并从参数解集中挑取一组典型值作为优化解。利用本发明，可以大大提高滤波器的滤波效果与抗弱网能力。

技术研发人员：刘展宁,刁瑞盛,郑外生,周保荣,李诗旸,毛田,姚文峰
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15