[发明专利]微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法

摘要

本发明公开一种微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法，通过机理建模方法和abc/dq坐标变换建立微电网离网模式下逆变器在dq坐标下的状态空间模型，采用下垂控制、分数阶电压PI控制和分数阶电流PI控制作为电压和频率控制方法，将电压偏差绝对值与时间乘积的积分值、频率偏差绝对值与时间乘积的积分值这两个性能指标的加权值作为适应度函数，并设计一种基于自适应变异操作的群体进化方法对分数阶控制器参数进行优化整定，产生的优化控制信号经过坐标变换后传输至空间矢量脉宽调制模块，从而实现微电网离网模式下逆变器的优化运行。采用本发明可实现微电网离网模式下逆变器在复杂工况情形下的电压和频率优化控制效果。

主权项

1.一种微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)通过机理建模方法和abc/dq坐标变换方法建立微电网离网模式下带LCL滤波器的三相逆变器在dq坐标下的如公式(1)所示的状态空间模型，并建立基于下垂控制器、分数阶电压PI控制器和分数阶电流控制PI控制器的控制模型，即通过电压互感器、电流互感器和锁相环技术检测逆变器滤波电容电压、滤波电感电流、频率、相角以及逆变器输出侧电流，依据公式(2)和(3)所示的功率计算模块计算有功功率P和无功功率Q，采用如公式(4)～(6)所示的下垂控制器、如公式(7)～(9)所示的分数阶电压PI控制器、如公式(10)～(12)所示的分数阶电流控制PI控制器分别对频率、电压和电流进行控制，产生d、q坐标下的电压控制输出信号Vdout和Vqout，经过dq/abc坐标变换后传输到空间矢量脉宽调制模块，从而驱动微电网离网模式下逆变器中各个IGBT模块正常工作；vodref＝vdn‑mQ(Q‑Qn)   (5)voqref＝vqn‑mQ(Q‑Qn)   (6)其中，id和iq分别表示逆变器输出侧电流Iabc经过abc/dq变换后在d、q坐标下的电流，iod和ioq分别表示LCL滤波器中第二个滤波电感的电流Ioabc经过abc/dq变换后在d、q坐标下的电流，Vod和Voq分别表示LCL滤波器中滤波电容的电压Voabc经过abc/dq变换后在d、q坐标下的电压，Vmd和Vmq分别表示LCL滤波器侧第二个滤波电感L2的电压Vmabc经过abc/dq变换后变换后在d、q坐标下的电压，L1和L2分别表示LCL型滤波器的第一个和第二个滤波电感的电感值，C表示LCL滤波电容，R1和R2分别表示滤波电感L1和L2对应的等效电阻值，w表示逆变器的角频率，wf表示LCL滤波器的截止角频率，wn表示微电网离网模式下设定的角频率，f表示微电网离网模式的实际频率，Pn和Qn分别表示设定的有功功率和无功功率，Vdn和Vqn分别表示逆变器三相参考电压在d、q坐标下的电压，mP和mQ分别表示有功功率和无功功率的下垂系数，Vodref和Voqref分别表示下垂控制器在d、q坐标下的输出电压信号，idref和iqref分别表示分数阶电流PI控制器在d、q坐标下的参考电流输入信号，Vdout和Vqout分别表示经过下垂控制、分数阶电压PI控制和分数阶电流PI控制后产生的d、q坐标下电压控制输出信号，F表示前馈系数，KFOPV和KFOIV分别表示分数阶电压PI控制器的比例系数和积分系数，KFOPI和KFOII分别表示分数阶电流PI控制器的比例系数和积分系数，λV、λI分别表示分数阶电压PI控制器和分数阶电流PI控制器中的分数阶积分阶次系数；(2)设置群体进化求解器的参数数值，包括种群规模N和最大迭代次数Imax；(3)随机产生一个实数编码的种群P0＝{S1,S2,…,SN}，其中第i个个体Si表示对分数阶电压PI控制器和分数阶电流PI控制器6个控制参数KFOPV,KFOIV,λV,KFOPI,KFOII,λI进行实数编码的向量，即Si＝[KFOPV,KFOIV,λV,KFOPI,KFOII,λI]，具体产生过程为Si＝(UC‑LC)*R0+LC，其中UC与LC表示以上6个控制参数的上限向量和下限向量，R0表示在0到1范围内产生的均匀分布随机数向量；(4)按照式(13)对种群P0中的每一个个体Si，i＝1,2,…,N所对应的优化目标进行评估，获得种群P0的优化目标集合F0＝{f(Si),i＝1,2,…,N}，并将种群中当前最小的目标函数值设置为当前最好适应度值fbest＝min{f(Si),i＝1,2,…,N}，将对应的个体设置为当前最好解Sbest；其中，ev和ef分别表示电压偏差和频率偏差，t表示系统运行时刻值，tmin和tmax分别表示微电网离网运行的初始时间和终止时间，vom表示LCL滤波器中滤波电容电压Voabc的实际测量值，von表示微电网离网运行时LCL滤波器中滤波电容电压的参考值，fn表示微电网离网运行时的参考频率值；(5)按照式(14)～(21)对种群P0中的每一个个体Si，i＝1,2,…,N，执行自适应变异，从而产生新的种群Pm＝{Smi,i＝1,2,…,N}；Smi＝Si+pam.θ   (14)Δf(k)＝f(k)‑f(k‑1)＝f(Si(k))‑f(Si(k‑1))   (17)Δf(k‑1)＝f(k‑1)‑f(k‑2)＝f(Si(k‑1))‑f(Si(k‑2))   (18)ΔSi(k)＝Si(k)‑Si(k‑1)   (19)ΔSi(k‑1)＝Si(k‑1)‑Si(k‑2)   (20)其中fmax表示F0的最大值，即fmax＝max{f(Si),i＝1,2,…,N}，faverage表示F0的平均值，k表示优化求解器当前的迭代次数，rm1和rm2表示在－1到1范围内产生的随机实数，rn表示在0到1范围内产生的随机实数；(6)按照式(13)对种群Pm中的每一个个体Smi,i＝1,2,…,N所对应的优化目标进行评估，获得种群Pm的优化目标集合Fm＝{f(Smi),i＝1,2,…,N}，并将种群Pm中当前最小的目标函数值设置为fmbest＝min{f(Smi),i＝1,2,…,N}，所对应的个体设置为Smb；(7)若fmbest≤fbest,则设置为fbest＝fmbest，Sbest＝Smb；否则保持原有fbest和Sbest不变；(8)无条件接受P0＝Pm；(9)重复步骤(4)～(8)直到满足预先设定的最大迭代优化次数Imax终止条件；(10)输出当前最好适应度值fbest和对应的分数阶电压PI控制器和分数阶电流PI控制器最佳参数Sbest＝(KFOPV,KFOIV,λV,KFOPI,KFOII,λI)，将其传输至微电网逆变器的分数阶电压PI控制器和分数阶电流PI控制器中，通过示波器获得微电网在离网模式下逆变器的输出电压、电流和频率运行波形及其对应的输出电压和电流总谐波畸变率。