本發(fā)明涉及新能源微電網(wǎng)及電力電子
技術(shù)領(lǐng)域：
智能控制技術(shù)，特別涉及一種基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法。
背景技術(shù)：
：三相并網(wǎng)逆變器作為新能源微電網(wǎng)中關(guān)鍵部件之一，直接影響著分布式電力并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性和電能質(zhì)量，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與高效控制策略優(yōu)化設(shè)計近年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注和研發(fā)。針對三相并網(wǎng)逆變器的傳統(tǒng)控制策略主要包括PI控制、直接功率控制、零極點配置控制、重復(fù)控制等，已在不同應(yīng)用場合中取得了良好的控制效果，但難以滿足并網(wǎng)系統(tǒng)實際運行中三相并網(wǎng)逆變器參數(shù)不確定性和電網(wǎng)側(cè)干擾影響等因素下的穩(wěn)定運行要求。因此，如何實現(xiàn)具有良好魯棒性能的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法已成為近年來新興的研究熱點之一。目前，僅有極少數(shù)國內(nèi)外研發(fā)人員從標(biāo)準(zhǔn)H無窮魯棒控制、回路成型控制和靈敏度函數(shù)設(shè)計的角度對三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制策略進行了探索和設(shè)計。但現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)H無窮魯棒控制方法獲得的魯棒控制器通常為高階模型，在實際工程中難以直接實現(xiàn)；現(xiàn)有回路成型控制和靈敏度函數(shù)設(shè)計方法都是首先將三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制問題轉(zhuǎn)化為基于靈敏度函數(shù)無窮范數(shù)最小或者電流跟蹤誤差平方最小的約束優(yōu)化問題，然后采用遺傳算法進行優(yōu)化求解，但該類方法中所采用的優(yōu)化性能指標(biāo)過于簡單，難以滿足實際并網(wǎng)系統(tǒng)對綜合性能指標(biāo)的要求，并且所采用的遺傳算法優(yōu)化工具對約束的處理過于粗糙，難以獲得高質(zhì)量的優(yōu)化效果，且遺傳算法自身可調(diào)參數(shù)較多，參數(shù)整定難度較大。在國家自然科學(xué)基金(No.51207112)、浙江省公益計劃項目(Nos.2014C31074、2014C31093)、浙江省自然科學(xué)基金(Nos.LY16F030011、LZ16E050002、LQ14F030006、LQ14F030007)的支持下，本發(fā)明公開一種基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的，一種基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法，包括以下步驟：(1)通過機理分析法和坐標(biāo)變換法建立三相并網(wǎng)逆變器的dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型及功率外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制模型，并設(shè)置自適應(yīng)約束優(yōu)化求解器的參數(shù)值(包括最大迭代優(yōu)化次數(shù)Imax和種群規(guī)模NP)；(2)隨機產(chǎn)生一個實數(shù)編碼的初始種群P＝{Sj＝(U-L)*rj+L,j＝1,2,…,NP}，其中第j個個體Sj＝[Kpdj,Kidj,Kfdj,Tfdj,Kpqj,Kiqj,Kfqj,Tfqj]，在此Kpdj與Kidj分別表示電流魯棒控制器CI(s)在d軸坐標(biāo)下的比例系數(shù)和積分系數(shù)，Kfdj與Tfdj分別表示電流魯棒控制器d軸坐標(biāo)下的濾波比例系數(shù)和慣性系數(shù)，Kpqj與Kiqj分別表示電流魯棒控制器q軸坐標(biāo)下的比例和積分系數(shù)，Kfqj與Tfqj分別表示電流魯棒控制器q軸坐標(biāo)下的濾波比例系數(shù)和慣性系數(shù)，U與L分別表示電流魯棒控制器優(yōu)化變量上限和下限，rj表示在0到1范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機數(shù)。電流魯棒控制器CI(s)的傳遞函數(shù)模型如下：CI(s)=Kpd+Kids+KfdTfds+100Kpq+Kiqs+KfqTfqs+1---(1)]]>(3)按照式(2)～(3)計算種群P中所有個體的約束違反量G(Sj)，并計算種群P的可行解比率fr＝Nf/NP，其中Nf為可行解的數(shù)量。其中Gkmax=maxj=1,...,NP(Gk(Sj)),k=1,...,p---(3)]]>其中p為約束條件的數(shù)量。(4)計算種群P中每個個體的適應(yīng)度值F(Sj)，j＝1,2,…,NP，具體計算過程如下：若fr＝0，則種群P中個體的適應(yīng)度值為F(Sj)＝G(Sj)；若fr＝1，則F(Sj)＝J(Sj)，其中J(Sj)表示第j個個體的控制性能指標(biāo)；若0<fr<1，則按照式(4)～(7)計算出F(Sj)：F(Sj)＝Fn(Sj)+Gn(Sj)(4)Fn(Sj)=f(Sj)-min{f(Sj)}max{f(Sj)}-min{f(Sj)},j=1,...,NP---(5)]]>其中Sb和Sw表示不可行解集合中最好和最差的個體。(5)按照升序?qū)ΨN群P中所有個體的適應(yīng)度值{F(Sj)，j＝1,2,…,NP}進行排序，將適應(yīng)度值最大的個體標(biāo)記為Sm，將適應(yīng)度值最小的個體標(biāo)記為Sbest，并將當(dāng)前最好的適應(yīng)值Fbest設(shè)置為Fbest＝F(Sbest)＝min{F(Sj),j＝1,2,…,NP}；(6)按照式(8)～(9)產(chǎn)生新的個體Snew，無條件地接受Sm＝Snew；Snew=Sbest+λ·(Sr1-Sr2)---(8)]]>Snew(i)={L(i),ifSnew(i)<L(i)U(i),ifSnew(i)>U(i),i=1,2,...,8---(9)]]>其中r1和r2表示從1到NP范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生的個體序號值，且r1≠r2，r1和r2也同時與Sm個體對應(yīng)的序號不等；λ表示變異調(diào)節(jié)系數(shù)，通常取0.3～0.9范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻隨機數(shù)；Snew(i)表示個體Snew第i個優(yōu)化變量，L(i)與U(i)分別表示第i個優(yōu)化變量對應(yīng)的下限值和上限值。(7)重復(fù)步驟(3)～(6)直到滿足預(yù)先設(shè)定的最大迭代優(yōu)化次數(shù)Imax終止條件；(8)輸出最佳適應(yīng)度值Fbest和對應(yīng)的電流魯棒控制器優(yōu)化參數(shù)Sbest，將其傳輸至三相并網(wǎng)逆變器電流魯棒控制器中，通過示波器獲得三相并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流波形及其對應(yīng)的總諧波畸變率。步驟3和4中所涉及的三相并網(wǎng)逆變器電流魯棒控制器優(yōu)化設(shè)計的適應(yīng)度函數(shù)及其約束條件模型如式(10)～(18)所示：minJ(x)＝αJ2(x)+βJ∞(x)(10)J2(x)=ISE=||E(s)||2=||1I+CI(s,x)P(s)R(s)||2---(11)]]>P(s)＝P0(s)(I+W1(s)ΔP(s)),||ΔP(s)||∞≤1(12)J∞(x)=||W1(s)T(s)||∞2+||W2(s)S(s)||∞2---(13)]]>subjectto||W1(s)T(s)||∞<1(14)||W2(s)S(s)||∞<1(15)S(s)＝(I+P0(s)CI(s))-1(16)T(s)＝P0(s)CI(s)(I+P0(s)CI(s))-1(17)L≤x≤U(18)其中，優(yōu)化變量向量x＝[Kpdj,Kidj,Kfdj,Tfdj,Kpqj,Kiqj,Kfqj,Tfqj]，α與β表示依據(jù)實際工程對性能指標(biāo)要求設(shè)置的權(quán)重系數(shù)，I表示單位矩陣，CI(s,x)表示在x作用下的電流魯棒控制器模型，E(s)表示并網(wǎng)電流的誤差函數(shù)，R(s)表示系統(tǒng)的輸入信號，P(s)表示三相并網(wǎng)逆變器包含不確定性的傳遞函數(shù)模型，P0(s)表示三相并網(wǎng)逆變器正常情形下的傳遞函數(shù)模型，ΔP(s)表示三相并網(wǎng)逆變器擾動模型，W1(s)和W2(s)分別表示受擾被控對象和靈敏度函數(shù)的權(quán)重函數(shù)，T(s)和S(s)分別表示補靈敏度函數(shù)和靈敏度函數(shù)。本發(fā)明的有益效果是：采用本發(fā)明可實現(xiàn)三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的魯棒控制，具有現(xiàn)有技術(shù)所不具備的以下優(yōu)點：三相并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流波形具有更低的總諧波畸變率和更強的魯棒性等控制性能，提高了在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性和電網(wǎng)側(cè)干擾等情形下的運行穩(wěn)定性，并可實現(xiàn)魯棒控制器參數(shù)的高效優(yōu)化整定，且優(yōu)化求解器設(shè)計與實現(xiàn)更簡單。附圖說明圖1是三相并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；圖2是基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法原理示意圖；圖3是基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法的實現(xiàn)過程示意圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明，本發(fā)明的目的和效果將更加明顯。圖1是三相并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，其中Vs表示光伏陣列等分布式直流電源電壓，Ls與Cs分別表示分布式直流電源側(cè)濾波電感和電容，Rs表示分布式直流電源側(cè)等效電阻，L1和Cf分別表示LC濾波器中電感和電容，R表示LC濾波器中電感的寄生電阻，Ll與Rl分別表示電網(wǎng)側(cè)線路等效電感和電阻，Is表示直流電壓源的電流,Ia表示逆變器經(jīng)過濾波電感L1的a相電流，IA表示電網(wǎng)側(cè)a相電流，Van、Vbn、Vcn分別表示電網(wǎng)abc三相電壓。圖2是基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法原理示意圖，其中Pr和Qr分別表示有功功率和無功功率參考值，Vabc和Iabc分別表示檢測到的三相并網(wǎng)電壓和并網(wǎng)電流，VDQ和IDQ分別表示在dq坐標(biāo)下檢測到的并網(wǎng)電壓值和并網(wǎng)電流值，IDQr和IDqe分別表示在dq坐標(biāo)下的電流參考值和誤差值，mdq表示在dq坐標(biāo)下的調(diào)制比，w和θ表示角頻率和相角。圖3是基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法的實現(xiàn)過程示意圖。以一臺600kW三相并網(wǎng)逆變器為例，采用本發(fā)明提出的基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法進行實施。(1)針對如圖1所示的三相并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，通過機理分析法和坐標(biāo)變換法建立三相并網(wǎng)逆變器的dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，建立如圖2所示的三相并網(wǎng)逆變器功率外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制模型，建立三相并網(wǎng)逆變器電流魯棒控制優(yōu)化設(shè)計的適應(yīng)度函數(shù)及約束條件模型，并設(shè)置自適應(yīng)約束優(yōu)化求解器的參數(shù)值(包括最大迭代優(yōu)化次數(shù)Imax＝60和種群規(guī)模NP＝20)。在本實施例中，三相并網(wǎng)逆變器在正常運行狀態(tài)點附近的小信號狀態(tài)空間模型計算如下：ΔX·=A(ΔX)+B(ΔU)---(1)]]>式中，ΔX表示狀態(tài)向量，表示狀態(tài)向量的一階導(dǎo)數(shù)向量，ΔU表示系統(tǒng)輸入向量，A和B表示系統(tǒng)系數(shù)矩陣，在本實施例中計算如下：A=-R/L1-w06md/4L1-1/L1000w-R/L106mq/4L10-1/L10000-Rs/Ls00000-6md/4L16mq/4L11/Cs000001/Cf0000-w-1/Cf001/Cf00w00-1/Cf00001/Ll0-Rl/Ll-w00000-1/Llw-Rl/Ll,]]>B=6Vd4L1006Vd4L100-6Id4Cs6Iq4Cs00000000,ΔX=ΔIdΔIqΔIsΔVdΔVcfdΔVcfqΔIDΔIQ,ΔU=ΔmdΔmq]]>其中，Id與Iq分別表示在d軸和q軸坐標(biāo)下逆變器經(jīng)過濾波電感L1的電流，Is表示直流電壓源的電流，ID與IQ分別表示在d軸和q軸坐標(biāo)下逆變器的并網(wǎng)電流，Vd表示直流電壓源濾波電容兩側(cè)的電壓，Vcfd與Vcfq分別表示在d軸和q軸坐標(biāo)下逆變器的LC濾波器中電容電壓，△Id、△Iq、△Is、△ID、△IQ、△Vd、△Vcfd、△Vcfq分別表示上述狀態(tài)量對應(yīng)的增量；md和mq表示在d軸和q軸坐標(biāo)下的調(diào)制比，△md與△mq分別表示md和mq的增量，Ls與Cs分別表示分布式直流電源側(cè)濾波電感和電容，Rs表示分布式直流電源側(cè)等效電阻，L1和Cf分別表示LC濾波器中的電感和電容，R表示LC濾波器中電感的寄生電阻，Ll與Rl分別表示電網(wǎng)側(cè)線路等效電感和電阻，w表示角頻率。圖2中功率外環(huán)雙閉環(huán)控制器模型CP定義如下：IDr=VDPr-VQQrVD2+VQ2---(2)]]>IQr=VQPr-VDQrVQ2+VD2---(3)]]>其中，Pr和Qr分別表示有功功率和無功功率參考值，VD和VQ分別表示在d軸和q軸坐標(biāo)下檢測到的并網(wǎng)電壓值。電流內(nèi)環(huán)魯棒控制器模型CI定義如下：CI(s)=Kpd+Kids+KfdTfds+100Kpq+Kiqs+KfqTfqs+1---(4)]]>其中，Kpd與Kid分別表示電流魯棒控制器在d軸坐標(biāo)下的比例和積分系數(shù)，Kfd與Tfd分別表示電流魯棒控制器d軸坐標(biāo)下的濾波比例系數(shù)和慣性系數(shù)，Kpq與Kiq分別表示電流魯棒控制器q軸坐標(biāo)下的比例和積分系數(shù)，Kfq與Tfq分別表示電流魯棒控制器q軸坐標(biāo)下的濾波比例系數(shù)和慣性系數(shù)。三相并網(wǎng)逆變器電流魯棒控制器優(yōu)化設(shè)計的適應(yīng)度函數(shù)及其約束條件模型如式(5)～(13)所示：minJ(x)＝αJ2(x)+βJ∞(x)(5)J2(x)=ISE=||E(s)||2=||1I+CI(s,x)P(s)R(s)||2---(6)]]>P(s)＝P0(s)(I+W1(s)ΔP(s)),||ΔP(s)||∞≤1(7)J∞(x)=||W1(s)T(s)||∞2+||W2(s)S(s)||∞2---(8)]]>subjectto||W1(s)T(s)||∞<1(9)||W2(s)S(s)||∞<1(10)S(s)＝(I+P0(s)CI(s))-1(11)T(s)＝P0(s)CI(s)(I+P0(s)CI(s))-1(12)L≤x≤U(13)其中，優(yōu)化變量向量x＝[Kpdj,Kidj,Kfdj,Tfdj,Kpqj,Kiqj,Kfqj,Tfqj]，α與β表示依據(jù)實際工程對性能指標(biāo)要求設(shè)置的權(quán)重系數(shù)，本實施例中α＝β＝1，I表示單位矩陣，CI(s,x)表示在x作用下的電流魯棒控制器模型，E(s)表示并網(wǎng)電流的誤差函數(shù)，R(s)表示系統(tǒng)的輸入信號，P(s)表示三相并網(wǎng)逆變器包含不確定性的傳遞函數(shù)模型，P0(s)表示三相并網(wǎng)逆變器正常情形下的傳遞函數(shù)模型，ΔP(s)表示三相并網(wǎng)逆變器擾動模型，W1(s)和W2(s)分別表示受擾被控對象和靈敏度函數(shù)的權(quán)重函數(shù)，T(s)和S(s)分別表示補靈敏度函數(shù)和靈敏度函數(shù)。在本實施例中，W1(s)和W2(s)分別如下：W1(s)=(1ϵk1s+wbcM1k1s+wbcϵk1)k1I2×2---(14)]]>W2(s)=(1M2k2s+M2k2wbs+ϵk2wb)k2I2×2---(15)]]>其中，ε＝0.01，k1＝3，k2＝1，M1＝7，M2＝10，wbc＝2.5kHz，wb＝10kHz。(2)隨機產(chǎn)生一個實數(shù)編碼的初始種群P＝{Sj＝(U-L)*rj+L,j＝1,2,…,20}，其中第j個個體Sj＝[Kpdj,Kidj,Kfdj,Tfdj,Kpqj,Kiqj,Kfqj,Tfqj]，在此Kpdj與Kidj分別表示第j個個體對應(yīng)的電流魯棒控制器CI(s)在d軸坐標(biāo)下的比例和積分系數(shù)，Kfdj與Tfdj分別表示電流魯棒控制器d軸坐標(biāo)下的濾波比例系數(shù)和慣性系數(shù)，Kpqj與Kiqj分別表示電流魯棒控制器q軸坐標(biāo)下的比例和積分系數(shù)，Kfqj與Tfqj分別表示電流魯棒控制器q軸坐標(biāo)下的濾波比例系數(shù)和慣性系數(shù)，U與L表示電流魯棒控制器優(yōu)化變量上限和下限，本實施例中U＝[10,10,10,10,10,10,10,10]，U＝[0,0,0,0,0,0,0,0]，rj表示在0到1范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻分布隨機數(shù)。(3)按照式(16)～(17)計算種群P中所有個體的約束違反量G(Sj)，并計算種群P的可行解比率fr＝Nf/NP，其中Nf為可行解的數(shù)量。其中Gkmax=maxj=1,...,NP(Gk(Sj)),k=1,...,p---(17)]]>其中p為約束條件的數(shù)量。(4)計算種群P中每個個體的適應(yīng)度值F(Sj)，j＝1,2,…,20，具體計算過程如下：若fr＝0，則種群P中個體的適應(yīng)度值為F(Sj)＝G(Sj)；若fr＝1，則F(Sj)＝J(Sj)，其中J(Sj)表示第j個個體控制性能指標(biāo)；若0<fr<1，則按照式(18)～(21)計算出F(Sj)：F(Sj)＝Fn(Sj)+Gn(Sj)(18)Fn(Sj)=f(Sj)-min{f(Sj)}max{f(Sj)}-min{f(Sj)},j=1,...,NP---(19)]]>其中Sb和Sw表示不可行解集合中最好和最差的個體。(5)按照升序?qū)ΨN群P中所有個體的適應(yīng)度值{F(Sj)，j＝1,2,…,20}進行排序，將適應(yīng)度值最大的個體標(biāo)記為Sm，將適應(yīng)度值最小的個體標(biāo)記為Sbest，并將當(dāng)前最好的適應(yīng)值Fbest設(shè)置為Fbest＝F(Sbest)＝min{F(Sj),j＝1,2,…,NP}；(6)按照式(22)～(23)產(chǎn)生新的個體Snew，無條件地接受Sm＝Snew；Snew=Sbest+λ·(Sr1-Sr2)---(22)]]>Snew(i)={L(i),ifSnew(i)<L(i)U(i),ifSnew(i)>U(i),i=1,2,...,8---(23)]]>其中r1和r2表示從1到NP范圍內(nèi)隨機產(chǎn)生的個體序號值，且r1≠r2，r1和r2也同時與Sm個體對應(yīng)的序號不等；λ表示變異調(diào)節(jié)系數(shù)，通常取0.3～0.9范圍內(nèi)產(chǎn)生的均勻隨機數(shù)；Snew(i)表示個體Snew第i個優(yōu)化變量，L(i)與U(i)分別表示第i個優(yōu)化變量對應(yīng)的下限值和上限值。(7)重復(fù)步驟(3)～(6)直到滿足預(yù)先設(shè)定的最大迭代優(yōu)化次數(shù)Imax＝60的終止條件；(8)輸出最佳適應(yīng)度值Fbest和對應(yīng)的電流魯棒控制器優(yōu)化參數(shù)Sbest，將其傳輸至三相并網(wǎng)逆變器電流魯棒控制器中，通過示波器獲得三相并網(wǎng)逆變器的輸出電壓和電流波形及其對應(yīng)的總諧波畸變率。通過在三相并網(wǎng)逆變器參數(shù)不確定性和電網(wǎng)側(cè)干擾等多種情形下的實驗，并通過與現(xiàn)有PI、直接功率控制、零極點配置控制、重復(fù)控制、標(biāo)準(zhǔn)H無窮魯棒控制、基于遺傳算法的回路成型控制和靈敏度函數(shù)等控制策略對比試驗，我們可以發(fā)現(xiàn)：本發(fā)明采用的基于自適應(yīng)約束優(yōu)化的三相并網(wǎng)逆變器魯棒控制方法可實現(xiàn)三相并網(wǎng)逆變器并網(wǎng)電流的魯棒控制效果，具有現(xiàn)有技術(shù)所不具備的以下優(yōu)點：三相并網(wǎng)逆變器輸出的并網(wǎng)電流波形具有更低的總諧波畸變率和更強的魯棒性等控制性能，提高了在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不確定性和電網(wǎng)側(cè)干擾等情形下的運行穩(wěn)定性，并可實現(xiàn)魯棒控制器參數(shù)的高效優(yōu)化整定，且優(yōu)化求解器設(shè)計與實現(xiàn)更簡單。當(dāng)前第1頁1 2 3