基于水波优化算法的PV并网逆变器控制方法

本发明涉及电力电子，更具体地，涉及一种基于水波优化算法的pv并网逆变器控制方法。

背景技术：

1、随着传统能源的日益枯竭，清洁可持续的新能源走上世界舞台。我国积极响应“双碳”战略，追求低排放、低能耗、低污染的新经济发展。太阳能作为清洁能源之一，其发电的能量转换过程简单，是直接从光能到电能的转换，因而使用需求庞大，应用场所颇多。太阳能发电形式为直流电，而商用、民用电能形式大多为交流电，将直流电转换为交流电的逆变器市场需求急速增长。对于逆变器来说，控制环节的控制参数紧密影响着其输出波形，波形的好坏展示着输出的电能质量好坏。为了让输出电流并入电网，需要并网电流更好地跟随电网相位、满足并网需求，需严格遵循注入电网电流thd要求。群体智能优化算法具有较好的鲁棒性、灵活性等特点，将其应用于控制环节的参数整定具有显著作用，但有些算法存在易陷入局部最优的缺点。水波优化算法具有强大的全局搜索能力，精度较高，不易陷入局部最优，对于多目标决策问题具有良好的表现。由此，使用合适的算法应用于pv并网逆变器控制环节来保证并网电流满足并网要求，得到高质量输出电能是本领域技术人员关心的问题。

技术实现思路

1、为解决pv并网逆变器控制参数整定困难的问题，针对并网需求，本发明提供了一种基于水波优化算法的pv并网逆变器控制方法，涉及电力电子技术领域。其目的在于通过引进水波优化算法对pv并网逆变器控制部分进行参数整定，由于pv并网系统具有高功率因数、静态功率误差小、并网电流畸变率低的需求，采用水波优化算法对该pv系统控制部分的pid控制器进行参数整定和寻优的方式，与现有技术相比较，充分利用了算法的全局搜索能力、收敛速度和寻优精度。再将水波优化算法应用到pq双闭环控制系统中进行逆变器控制环节的控制参数整定，提出一种水波优化算法的pq双闭环pid控制参数整定方法，最后将其运用到pv并网三相逆变器参数整定模型上，抑制了并网电流谐波，保证了电能的高质量输出，这对pv并网三相逆变器控制参数整定问题具有重大意义。

2、技术方案包括以下步骤：

3、s1：初始化水波种群，随机生成n个水波的初始位置设置问题求解维数d和最大迭代次数m；

4、s2：设计水波优化算法的最佳水波位置和适应度值的计算方法，利用水波优化算法的三种形式对水波位置和波长进行更新；

5、s3：建立pv并网三相逆变器控制结构模型，所述模型中逆变器控制结构选择功率-电流双闭环控制结构，该部分均采用基于pi控制的双闭环控制结构；

6、s4：根据s2求得的最优解，将其传递给pv并网三相逆变器整定模型。

7、优选地，所述s2具体包括：

8、s21：由初始位置确定最优水波位置和最优适应度值fb；

9、s22：每一次迭代中每个水波根据当前适应度值确定搜索方式，搜索方式包括传播、先传播后碎浪和先传播后折射；

10、s23：通过s22对水波首先进行传播操作，计算水波传播后对应位置的适应度值fnew与最优适应度值fb以及上一组产生的水波最优位置对应的适应度值进行比较，若fnew不优于任何值，则直接更新波长，若fnew优于当前值但不是最优值，则进入水波折射阶段，若fnew为最优值，则进入水波碎浪阶段，用适应度值较好的水波位置替换适应度值较差的水波位置，得到一组较优的水波位置记录当前最优解；

11、s24：判断是否满足终止条件，若算法迭代次数达到最大迭代次数m，则算法结束，输出当前最优解，否则转到s22继续进行迭代。

12、优选地，所述s22和s23中水波传播的数学表达式为：

13、将每一个水波想象成一个独立的个体，那么水波将拥有3个属性，位置x、波长以及波高h，在每一次迭代过程中，每个水波都会通过传播的形式来对空间进行搜索同时水波的高度h会减少1，水波位置更新公式为：

14、

15、式中，为原始水波的位置，为更新后水波的新位置，rand(-1,1)为(-1,1)的均匀分布随机数，ub、lb分别为搜索空间的上界和下界，λ为该水波的波长；

16、波长的值随着迭代而进行变化，波长更新公式为：

17、

18、式中，α为波长的衰减系数，ξ为一个正整数以保证分母不为0，fmax、fmin分别为适应度函数值的最大值和最小值；

19、每次传播后，若当前的水波优于传播前的水波，则传播大该位置，否则波浪的高度h会减小1，波浪高度更新公式为：

20、

21、式中，分别为水波传播前后的适应度值。

22、优选地，所述s22和s23中水波折射的数学表达式为：

23、在一个水波进行传播之后，该水波有可能进行折射。每次传播，水波的高度h会减少1，当h减少到0时，该水波将发生折射，同时其高度和波长也会改变，折射运算公式为：

24、

25、式中，为当前位置找到的最优解，n(μ,σ)为以当前水波和最优水波中点为均值、当前水波和最优水波距离为方差的高斯正态分布；

26、在折射后水波的高度将会重新初始化为最大高度h＝hmax，折射后使用公式重新计算水波波长λ。

27、优选地，所述s22和s23中水波碎浪的数学表达式为：

28、在水波进行传播之后，到达了一个优于当前最优水波的位置，则该水波将会进行碎浪，并将当前最优水波传播到碎浪产生的位置，如果碎浪得到的结果优于当前最优水波，则改变当前最优水波到碎浪的位置，碎浪位置的产生公式为：

29、

30、式中，β为破碎波系数，是一个常数；k为一个随机数，每次碎浪将会随机选择k个维度来进行改变。

31、优选地，所述pi控制由比例调节和积分调节两部分组合而成，比例调节根据偏差的大小成比例的调节输出，积分调节根据偏差进行积分累计来调节输出，直至消除稳态误差，pi控制器的输出关系表达式为：

32、u(t)＝kpe(t)+ki∫e(t)dt

33、pi控制器的传递函数表达式为：

34、

35、上式中，偏差信号e(t)为pi控制器的输入量，u(t)为pi控制器的输出量，kp和ki为pi控制器的比例调节参数和积分调节参数。

36、优选地，所述s3中为解决多目标决策，采用均匀加权法；

37、当逆变器采用pi控制时，将三相abc静止坐标系下的交流量进行park变换到两相dq同步旋转坐标系下，此时两相dq静止坐标系下控制量为直流，分别选取双闭环中功率环和电流环对应电流的积分绝对误差iae，加权之后作为逆变器控制参数整定的目标函数，iae的表达式为：

38、

39、式中，t为系统时间，|e(t)|为误差绝对值；

40、总谐波畸变率表达式为：

41、

42、式中，vhn为n次谐波，vho1为基波有效值，thd为除基波外所有谐波有效值的平方和开方后除以基波有效值，总谐波畸变率thd越小交流量谐波含量越低，总谐波失真越小。

43、优选地，所述pi控制中对于pi控制器参数整定，分别选取双闭环中功率环和电流环对应电流的iae，加权之后作为参考整定的目标函数，则目标函数公式为：

44、

45、上式中，a、b为权重系数，均为常系数，并满足a+b＝1，em(t)、en(t)分别为功率外环和电流内环输入pi控制器的误差。

46、本发明建立pv并网三相逆变器控制结构模型，所述模型中逆变器控制结构选择pq双闭环控制结构，该部分均采用基于pi控制的控制结构，将水波优化算法应用于该控制结构。

47、通过本发明引进一种基于水波优化算法对pv并网三相逆变器控制环节进行控制参数整定，预设参数少，且只需较短时间即可得到符合要求的结果，算法能够快速进行寻优，寻优结果能够保证并网电流满足总谐波畸变率低于5％的并网要求，保证了电能的高质量输出，稳定效果好。并网有功功率接近pv阵列输出功率500kw，系统从开机到稳定经过短暂的暂态后能够快速调整，使得功率因数接近为1，并网效果良好。这对pv并网三相逆变器控制参数整定问题具有重大意义。