CN106385194B - 微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法 - Google Patents

微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法 Download PDF

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Abstract

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。

Description

微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法
技术领域
本发明涉及微电网电力电子技术领域智能控制技术，特别涉及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。
背景技术
微电网作为新能源分布式电源高效应用的重要形式，可以促进可再生能源的大规模接入，有望实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，被广泛认为是实现主动配电网的一种重要的方式，从而促使传统电网向智能电网过渡，因此近年来微电网受到了广泛关注和研究开发。其中，如何实现微电网在并离网工作模式下逆变器高效控制和能量优化管理已成为微电网技术领域的研发热点之一，而如何设计微电网离网模式下逆变器电压和频率高效控制策略是该领域亟待解决的关键技术难题之一。
目前，微电网离网模式下逆变器电压和频率控制技术主要包括：(1)V/f控制技术，即直接依据设定电压和频率的参考输入信号与实际测量信号的偏差，采用电压外环整数阶PI控制、电流内环整数阶PI控制相结合的双闭环控制模式，从而实现对逆变器输出电压和频率的控制，优点是控制方法简单，缺点是双闭环PI控制器参数整定严重依赖设计人员的工程经验，鲁棒性能较差，难以适应变工况运行的优化控制；(2)直接下垂控制技术，即采用与传统发电机组相类似的下垂特性曲线来控制微电网中各个分布式电源的电压和频率，但是该控制技术本质上属于一种有差控制，无法保证负荷变化较大工况下的优化运行，并且该技术没有考虑微电网系统电压和频率控制的快速恢复问题，难以保证微电网系统在干扰信号作用下的电压和频率质量。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率控制方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率控制方法，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表示功率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，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，设计人员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。
本发明的有效效果是：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电压和频率优化控制的效果，具有现有技术所不具备的以下优点：在恒定负荷和变负荷等工况下，微电网离网模式下逆变器电压和频率的动态响应时间、动态偏差波动等动态性能更优，电压和频率的稳态误差更小，逆变器输出电压和电流总谐波畸变率更低；并且微电网系统在干扰信号作用下，能够实现电压和频率控制的快速恢复，能够保证微电网系统在干扰信号作用下的电压和频率质量。
附图说明
图1是微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法的原理示意图；
图2是微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法的实现过程图。
具体实施方式
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。
图1是微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法的原理示意图。其中，VDC表示分布式直流电源侧的直流电压，Cd表示分布式直流发电侧的电容，L1和L2分别表示LCL型滤波器的第一个和第二个电感的电感值，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，Voa、Vob、Voc分别表示LCL滤波器中滤波电容的三相电压，Vma、Vmb、Vmc分别表示微电网负荷侧的三相电压，vn表示设定的逆变器输出电压的峰值。
图2是微网离网模式下逆变器分数阶电压和频率高效控制方法的实现过程图。
针对50kW微电网，以其中一个20kW三相逆变器为例，系统参数为：VDC＝400V，Cd＝4700μF，L1＝1.6mH，L2＝0.55mH，C＝48μF，R1＝0.15Ω，R2＝0.1Ω，采用本发明提出的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进行实施。
(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电感的电感值，C表示滤波电容，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表示功率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，本实施例中，以上参数设置为：mP＝0.0001，mQ＝0.001，wf＝30，wn＝314.1593，F＝0.65；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＝30，最大迭代次数Imax＝50；
(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，在本实施例中，UC＝(5,1000,2,20,20000,2)，LC＝(0.001,0.001,0.001,0.001,0.001,0.001)，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,…,30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,…,30}，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，在此fn＝50Hz和von＝311*sintV；
(5)按照式(14)～(21)对种群P0中的每一个个体Si，i＝1,2,…,30，执行自适应变异，从而产生新的种群Pm＝{Smi,i＝1,2,…,30}；
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,…,30}，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,…,30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,…,30}，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,…,30}，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＝50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，设计人员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。
通过对采用本发明技术与现有技术针对上述实施例的实验结果对比分析，我们可以发现：在恒定负荷和变负荷等工况下，采用本发明技术获得的微电网离网模式下逆变器电压和频率的动态响应时间更快、动态偏差波动更平缓，电压和频率的稳态误差相比现有技术减小至少0.4％，逆变器输出电压和电流总谐波畸变率(THD％)相比现有技术降低至少1％；并且微电网系统在干扰信号作用下，本发明技术能够实现电压和频率控制的快速恢复，能够保证微电网系统在干扰信号作用下的电压和频率质量。

Claims (1)

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。
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