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《湖南大学》 2018年
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基于极值优化的三相逆变电源与微电网控制方法研究

王环  
【摘要】:能源问题、环境问题日益严峻的形势下,可再生能源发电技术及相关的微电网技术、分布式发电技术发展迅猛。其中,三相逆变电源作为分布式电源与微电网的电能转换接口,是整个微电网系统的核心装备。为应对不同的工作模式和复杂环境,三相逆变电源及微电网不断完善其控制策略,在系统单闭环PID控制或PI控制拓扑的基础上发展出了多闭环、多级联、互耦合的控制拓扑结构。上述控制拓扑的工作性能优劣取决于控制参数的整定结果。目前工业界主要采用基于经验规则的工程整定方法,通常很难得到三相逆变电源和微网最佳状态的控制参数,因此三相逆变电源与微电网中PID或PI控制器的优化设计难题一直是电力电子与微电网领域的研究挑战之一。为此,本文采用极值优化算法(EO)对三相逆变电源不同工作模式下的控制器以及微电网控制策略进行优化设计,以提升三相逆变电源输出电能质量、功率协调控制性能和微电网系统运行性能。本文的主要研究工作如下:(1)针对三相逆变电源双闭环控制拓扑中控制参数整定困难的问题,提出了基于二进制极值优化(BCEO)的三相逆变电源双闭环优化控制设计方法,实现了三相逆变电源输出电压质量的提升,尤其是在负载突变状态下系统的鲁棒性提升。该方法首先对三相逆变电源的双闭环PI控制系统进行模型建立,而后将三相逆变系统的双闭环PI控制参数优化设计转换成一个典型的带约束优化问题,并设置逆变输出电压的THD和ITAE的加权和为目标函数,利用BCEO对上述带约束优化问题作优化求解,最终获得三相逆变电源双闭环控制的最优参数。仿真验证、实验结果证明所设计的系统能同时满足瞬态、稳态方面的要求。(2)针对三相逆变电源下垂控制中系统暂态、稳态耦合难题,提出了基于自适应群体极值优化(APEO)的三相逆变电源下垂优化控制设计方法,实现了系统电压稳定性、功率协调性能解耦控制。该方法首先建立了三相逆变电源下垂控制模型,将三相逆变系统下垂控制参数优化设计转换成一个典型的带约束优化问题,并设置系统输出电压的时间乘误差绝对值积分(ITAE)和总谐波失真(THD)、输出电流的ITAE加权和作为优化的目标函数。仿真验证和实验结果验证了基于APEO的下垂控制优化控制方法相对于基于遗传算法和粒子群算法的下垂控制器优化方法的优势,包括在分布式电源输出电压、频率稳定性和功率均分等方面的优势。(3)为提升三相逆变电源并网模式下有功功率和无功功率的P-Q控制性能,通过增加无功功率补偿量对传统P-Q控制器拓扑结构进行改进,在此基础上提出了基于APEO的三相逆变电源P-Q优化控制设计方法。该方法的基本思路是先将三相逆变电源的P-Q控制器优化设计转化为典型的约束优化问题,PI控制器的6个参数采用实数编码并作为决策变量,将系统有功功率的ITAE和系统无功功率的ITAE的加权和作为目标函数。仿真验证和实验结果证明,相对于其他优化控制方法,基于APEO的三相逆变电源P-Q控制优化设计方法具有更好系统功率暂态、稳态控制性能以及鲁棒性。(4)针对三相逆变电源并离网切换控制系统工作状态复杂、控制参数多、整定难的问题,设计提出基于APEO的三相逆变电源并离网切换优化控制设计方法。研究了暂态电流前馈补偿的三相逆变电源并离网切换控制建模方法,结合系统中控制参数设计为一个典型的约束优化问题,并将APEO算法应用三相逆变电源并离网切换控制参数优化中。仿真验证结果表明,基于APEO的三相逆变电源并离切换控制优化设计方法能够有效降低系统工作模式切换时带来的暂态电压冲击,实现了系统工作模式切换过程微电网和重要负荷稳定工作。(5)针对离网微电网系统中母线频率稳态要求,提出了基于多目标极值优化的分数阶PID(MOEO-FOPID)的微电网频率优化控制设计方法。首先建立了离网微电网分数阶频率控制的小信号模型,并将频率偏差和控制信号这两个相互冲突的性能指标作为多目标优化的适应度函数,再采用单个体多目标极值优化算法对分数阶PID控制器参数进行了优化整定,最后针对典型的离网微电网系统进行了仿真验证。仿真验证结果表明:相对于已有的基于单目标优化的FOPID和基于NSGA-II的FOPID/PID,本文提出的基于MOEO-FOPID的离网微电网频率优化方法在离网微电网频率控制的稳态控制、暂态控制和鲁棒性能等方面具有明显的优势。本文对不同工作模式下三相逆变电源及微电网控制策略的优化进行了研究,采用极值优化算法解决三相逆变电源及微电网控制系统参数整定难题,提高了三相逆变电源电能输出质量及微电网频率控制性能,并提升了系统的鲁棒性,拓展了极值优化算法的应用领域,为解决其它电力系统的控制拓扑优化问题提供借鉴。
【学位授予单位】:湖南大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TN86;TM727

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