BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法

摘要

本发明公开了一种BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法，包括以下步骤：以有限时间控制的控制参数为优化对象，以Buck‑Boost矩阵变换器(BBMC)输出电压谐波失真度、电容电压偏差信号和输出电流偏差信号为优化目标，建立优化目标和优化对象间的数学模型；建立多目标优化满意度函数与多目标优化适应度函数；采用自适应狼群优化算法对有限时间控制各控制参数进行迭代寻优，获得n组最优的有限时间控制参数；采用数值拟合方法获得各最优控制参数与BBMC实际输出电流间的函数关系式，根据所获得的函数关系式确定调速系统任意负载下所对应的最优控制参数。本发明能够根据所得函数关系式即可根据调速系统所带负载大小，也即BBMC实际输出电流大小实时调节各控制参数，从而使调速系统在任意负载下均能达到最佳的运行效果。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法。

背景技术

Buck-Boost矩阵变换器(Buck-Boost Matrix Converter,BBMC)是一种具有高电压传输比且可直接输出高品质正弦波的新型电力变换器，适合应用于异步电机调速系统中。然而研究表明，针对基于BBMC的异步电机调速系统，当其所带负载发生变化时，其调速控制策略的相关控制参数需作相应的优化调节，才能使BBMC输出电压谐波失真度等指标达到协同最优，从而达到调速系统的高性能调速控制的目的。因此根据调速系统所带负载的大小，即BBMC实际输出电流的大小，研究确定相应的最优控制参数，并进而研究系统最优控制参数与BBMC实际输出电流间的变化规律，对于根据负载变化实时调节相关控制参数以实现系统的高性能调速具有重要意义。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种精度高、运行效果好的BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法，包括以下步骤：

(1)针对BBMC异步电机调速系统，以有限时间控制的控制参数为优化对象，以BBMC输出电压谐波失真度、电容电压偏差信号和输出电流偏差信号为优化目标，建立优化目标和优化对象间的数学模型；

(2)针对调速系统任选某一大小负载，即BBMC实际输出电流为某一数值的情况下，建立多目标优化满意度函数与多目标优化适应度函数；

(3)采用自适应狼群优化算法对有限时间控制各控制参数进行迭代寻优，使BBMC输出电压谐波失真度、电容电压偏差信号及输出电流偏差信号达到协同最优，从而获得一组最优的有限时间控制参数；调节BBMC的实际输出电流，重复步骤(2)和(3)，获得n组最优的有限时间控制参数；

(4)根据所获得的n组有限时间最优控制参数以及相应的BBMC实际输出电流，采用数值拟合方法获得各最优控制参数与BBMC实际输出电流间的函数关系式，根据所获得的函数关系式即可确定调速系统任意负载下所对应的最优控制参数。

上述BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法，所述步骤(1)中建立优化目标和优化对象间的数学模型的具体步骤为：

1-1)以BBMC中电容电压u_C、电感电流i_L及输出电流i₁为系统控制变量，建立系统的状态微分方程：

其中：u_C为电容电压，i_L为电感电流，i₁为BBMC输出电流，u_D为BBMC直流侧电压，u_DZ为异步电机定子绕组公共端电压，L和C分别为BBMC逆变级电感和电容，R和L₁分别为异步电机单相绕组的等效电阻与等效电感，d为BBMC中功率开关的占空比；

1-2)根据式(1)及有限时间控制原理，得BBMC中功率开关的占空比d表达式为：

式中：sat为饱和函数，λ₂＝u_Di_L-(u_C+u_D)i₁-u_Di_Lref+(u_Cref+u_D)i_1ref，u_Cref为电容电压参考值，i_Lref为电感电流参考值，i_1ref为BBMC输出电流参考值，K₁、K₂、α₁、α₂为有限时间控制参数，α₂＝2α₁/(1+α₁)；

1-3)通过求解式(1)，得BBMC输出电压u和输出电流i₁的解析表达式分别为：

1-4)根据谐波失真度的定义，得到输出电压u的谐波失真度THD为：

式中：G＝ln(R/2)，T为BBMC输出电压周期，ω为BBMC输出电压角频率；

1-5)由式(3)和式(4)所得输出电压u和输出电流i₁的解析表达式，得某负载工况下电容电压u_c与其对应理想状态下电压值U_e的偏差△u_c及输出电流i₁与其对应理想状态下电流值I_e的偏差△i分别为：

上述BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法，所述步骤(2)中建立多目标优化满意度函数的步骤包括：

2-1-1)分别建立优化目标THD、Δu_C及Δi的满意度函数，其中：

THD的满意度函数f₁如式(8)所示：

Δu_C的满意度函数f₂如式(9)所示：

Δi的满意度函数f₃如式(10)所示：

式中：THD'、Δu_C'及Δi'分别为优化目标THD、Δu_C及Δi的临界值，c₁、c₂、c₃为满意度系数，且有：c₁>0，c₂>0，c₃>0；

2-1-2)建立三个优化目标THD、Δu_C及Δi的多目标优化满意度函数f，如式(11)所示：

f＝k₁f₁+k₂f₂+k₃f₃(11)

式中：k₁、k₂及k₃分别为优化目标THD、Δu_C及Δi的权重系数，且k₁+k₂+k₃＝1。

上述BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法，所述步骤(2)中建立多目标优化适应度函数的具体步骤为：

2-2-1)判断任一优化目标的满意度与相应的满意度阈值的大小：当任一优化目标的满意度f_j(j＝1,2,3)小于相应的满意度阈值M_j(j＝1,2,3)时，则配置一个相应的动态惩罚因子b_j；其中，所述满意度阈值分别为：所述动态惩罚因子分别为：

否则，若所述优化目标的满意度f_j(j＝1,2,3)大于或等于其对应的满意度阈值M_j(j＝1,2,3)，则视其动态惩罚因子为b_j＝1；

2-2-2)配置所述动态惩罚因子后，建立多目标优化适应度函数f_s如式(12)所示：

f_s＝k₁b₁f₁+k₂b₂f₂+k₃b₃f₃(12)。

上述BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法，所述步骤(3)中采用自适应狼群算法对BBMC相关控制参数进行迭代寻优，具体步骤包括：

步骤1：将选取的BBMC实际输出电流作为自适应狼群算法的判定参考值；

步骤2：初始化参数；包括：种群规模N，表示N组控制参数、最大迭代次数k_max，以多目标优化适应度函数f_s表示狼群的味道浓度S(i)；

步骤3：配置狼群个体随机方向和距离，获取第i个狼群的位置X_i(K₁,K₂,α₁)；

步骤4：获取狼群的味道浓度，得到一组所述优化对象；根据优化对象获得相应的THD、Δu_C和Δi；

步骤5：在狼群群体中找出味道浓度最高的狼群个体作为最优个体，并保留最优狼群个体的味道浓度和位置X_m(K₁,K₂,α₁)；

步骤6：淘汰狼群群体中味道浓度较小的N/10个狼群，并在解空间中随机生成相同数量的新狼群，实现狼群群体的更新；

步骤7：判断是否达到最大迭代次数；若达到，则输出最优个体位置X_m(K₁,K₂,α₁)，即输出控制参数K₁,K₂,α₁的最优解，进入步骤8；否则，迭代次数加1后，返回步骤3；

步骤8：判断是否已获得n组最优控制参数，若已获得n组最优控制参数，则进入步骤9；否则，按一定间距改变BBMC的实际输出电流后，返回步骤1；

步骤9：输出n组最优控制参数以及相应的BBMC实际输出电流。

上述BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法，所述步骤(4)中根据所获得的n组最优控制参数以及相应的BBMC实际输出电流，采用数值拟合方法获得各最优控制参数与BBMC实际输出电流间的函数关系式；所述数值拟合方法采用最小二乘法；所述函数关系式包括最优控制参数K₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式、最优控制参数K₂与BBMC实际输出电流i间的函数关系式以及最优控制参数α₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式；

最优控制参数K₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，如式(13)所示：

f_K1(i)＝A₁i⁴+A₂i³+A₃i²+A₄i+A₅(13)

最优控制参数K₂与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，如式(14)所示：

f_K2(i)＝B₁i⁴+B₂i³+B₃i²+B₄i+B₅(14)

最优控制参数α₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，如式(15)所示：

式中：f_K1(i)、f_K2(i)和f_α1(i)分别表示最优控制参数K₁、K₂和α₁的函数；A₁，A₂，A₃，A₄，A₅分别为函数f_K1(i)中的系数；B₁，B₂，B₃，B₄，B₅分别为函数f_K2(i)中的系数；C₁，C₂，C₃，C₄，C₅，C₆，C₇，C₈，C₉，C₁₀，C₁₁，C₁₂，C₁₃，C₁₄，C₁₅分别为函数f_α1(i)的系数；所述各系数根据最小二乘法并利用Matlab分析软件获得；

根据所获得的函数关系式即确定调速系统任意负载下所对应的最优控制参数。

本发明的有益效果在于：本发明针对以Buck-Boost矩阵变换器(BBMC)为变频器的异步电机调速系统，采用有限时间控制策略进行控制，首先以有限时间控制各相关控制参数为优化对象，以BBMC输出电压谐波失真度THD、电容电压偏差信号△u_c和输出电流偏差信号△i为优化目标，建立优化目标和优化对象间的数学模型；然后针对调速系统在任选某一大小负载，即BBMC实际输出电流为某一数值的情况下，建立其多目标优化满意度函数与多目标优化适应度函数；接着采用自适应狼群算法获得有限时间控制的一组最优控制参数，按一定间距调节BBMC的实际输出电流，获得n组有限时间控制的最优控制参数；最后采用数值拟合方法获得各最优控制参数与BBMC实际输出电流间的函数关系式；根据所得函数关系式即可根据调速系统所带负载大小，也即BBMC实际输出电流大小实时调节各控制参数，从而使调速系统在任意负载下均能达到最佳的运行效果。

附图说明

图1为本发明中调速系统拓扑结构图。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明自适应狼群优化算法流程图。

图4为本发明有限时间控制最优控制参数拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，为本发明调速系统拓扑结构图。该调速系统以BBMC为变频器，以三相异步电机为其负载电机。其中BBMC包括整流级和逆变级两部分，其整流级为一个三相PWM整流电路，它将三相交流整流成PWM调制的直流电压；而逆变级则为一个三相Buck-Boost逆变器，它由三个结构相同的Buck-Boost DC/DC变换器构成。

如图2所示，一种BBMC异步电机调速系统控制参数自适应调整方法，步骤如下：

(1)针对BBMC异步电机调速系统，以有限时间控制的控制参数为优化对象，以BBMC输出电压谐波失真度、电容电压偏差信号和输出电流偏差信号为优化目标，建立优化目标和优化对象间的数学模型。

建立优化目标和优化对象间的数学模型的具体步骤为：

1-1)以BBMC中电容电压u_C、电感电流i_L及输出电流i₁为系统控制变量，建立系统的状态微分方程：

其中：u_C为电容电压，i_L为电感电流，i₁为BBMC输出电流，u_D为BBMC直流侧电压，u_DZ为异步电机定子绕组公共端电压，L和C分别为BBMC逆变级电感和电容，R和L₁分别为异步电机单相绕组的等效电阻与等效电感，d为BBMC中功率开关的占空比；

1-2)根据式(1)及有限时间控制原理，得BBMC中功率开关的占空比d表达式为：

式中：sat为饱和函数，λ₂＝u_Di_L-(u_C+u_D)i₁-u_Di_Lref+(u_Cref+u_D)i_1ref，u_Cref为电容电压参考值，i_Lref为电感电流参考值，i_1ref为BBMC输出电流参考值，K₁、K₂、α₁、α₂为有限时间控制参数，α₂＝2α₁/(1+α₁)；

1-3)通过求解式(1)，得BBMC输出电压u和输出电流i₁的解析表达式分别为：

1-4)根据谐波失真度的定义，得到输出电压u的谐波失真度THD为：

式中：G＝ln(R/2)，T为BBMC输出电压周期，ω为BBMC输出电压角频率；

1-5)由式(3)和式(4)所得输出电压u和输出电流i₁的解析表达式，得某负载工况下电容电压u_c与其对应理想状态下电压值U_e的偏差△u_c及输出电流i₁与其对应理想状态下电流值I_e的偏差△i分别为：

(2)针对调速系统任选某一大小负载，即BBMC实际输出电流为某一数值的情况下，建立多目标优化满意度函数与多目标优化适应度函数。

2-1)建立多目标优化满意度函数，具体步骤包括：

2-1-1)分别建立优化目标THD、Δu_C及Δi的满意度函数，其中：

THD的满意度函数f₁如式(8)所示：

Δu_C的满意度函数f₂如式(9)所示：

Δi的满意度函数f₃如式(10)所示：

式中：THD'、Δu_C'及Δi'分别为优化目标THD、Δu_C及Δi的临界值，c₁、c₂、c₃为满意度系数，且有：c₁>0，c₂>0，c₃>0；

2-1-2)建立三个优化目标THD、Δu_C及Δi的多目标优化满意度函数f，如式(11)所示：

f＝k₁f₁+k₂f₂+k₃f₃(11)

式中：k₁、k₂及k₃分别为优化目标THD、Δu_C及Δi的权重系数，且k₁+k₂+k₃＝1。

2-2)建立多目标优化适应度函数，具体步骤包括：

2-2-1)判断任一优化目标的满意度与相应的满意度阈值的大小：当任一优化目标的满意度f_j(j＝1,2,3)小于相应的满意度阈值M_j(j＝1,2,3)时，则配置一个相应的动态惩罚因子b_j；其中，所述满意度阈值分别为：所述动态惩罚因子分别为：

否则，若所述优化目标的满意度f_j(j＝1,2,3)大于或等于其对应的满意度阈值M_j(j＝1,2,3)，则视其动态惩罚因子为b_j＝1；

2-2-2)配置所述动态惩罚因子后，建立多目标优化适应度函数f_s如式(12)所示：

f_s＝k₁b₁f₁+k₂b₂f₂+k₃b₃f₃(12)。

(3)采用自适应狼群优化算法对有限时间控制各控制参数进行迭代寻优，使BBMC输出电压谐波失真度、电容电压偏差信号及输出电流偏差信号达到协同最优，从而获得一组最优的有限时间控制参数；调节BBMC的实际输出电流，重复步骤(2)和(3)，获得n组最优的有限时间控制参数。

采用自适应狼群算法对BBMC相关控制参数进行迭代寻优，结合图3，具体步骤包括：

步骤1：将选取的BBMC实际输出电流作为自适应狼群算法的判定参考值；

步骤2：初始化参数；包括：种群规模N，表示N组控制参数、最大迭代次数k_max，以多目标优化适应度函数f_s表示狼群的味道浓度S(i)；

步骤3：配置狼群个体随机方向和距离，获取第i个狼群的位置X_i(K₁,K₂,α₁)；

步骤4：获取狼群的味道浓度，得到一组所述优化对象；根据优化对象获得相应的THD、Δu_C和Δi；

步骤5：在狼群群体中找出味道浓度最高的狼群个体作为最优个体，并保留最优狼群个体的味道浓度和位置X_m(K₁,K₂,α₁)；

步骤6：淘汰狼群群体中味道浓度较小的N/10个狼群，并在解空间中随机生成相同数量的新狼群，实现狼群群体的更新；

步骤7：判断是否达到最大迭代次数；若达到，则输出最优个体位置X_m(K₁,K₂,α₁)，即输出控制参数K₁,K₂,α₁的最优解，进入步骤8；否则，迭代次数加1后，返回步骤3；

步骤8：判断是否已获得n组最优控制参数，若已获得n组最优控制参数，则进入步骤9；否则，按一定间距改变BBMC的实际输出电流后，返回步骤1；

步骤9：输出n组最优控制参数以及相应的BBMC实际输出电流。

(4)根据所获得的n组有限时间最优控制参数以及相应的BBMC实际输出电流，采用数值拟合方法获得各最优控制参数与BBMC实际输出电流间的函数关系式。所述数值拟合方法采用最小二乘法；所述函数关系式包括最优控制参数K₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式、最优控制参数K₂与BBMC实际输出电流i间的函数关系式以及最优控制参数α₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式；

最优控制参数K₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，如式(13)所示：

f_K1(i)＝A₁i⁴+A₂i³+A₃i²+A₄i+A₅(13)

最优控制参数K₂与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，如式(14)所示：

f_K2(i)＝B₁i⁴+B₂i³+B₃i²+B₄i+B₅(14)

最优控制参数α₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，如式(15)所示：

式中：f_K1(i)、f_K2(i)和f_α1(i)分别表示最优控制参数K₁、K₂和α₁的函数；A₁，A₂，A₃，A₄，A₅分别为函数f_K1(i)中的系数；B₁，B₂，B₃，B₄，B₅分别为函数f_K2(i)中的系数；C₁，C₂，C₃，C₄，C₅，C₆，C₇，C₈，C₉，C₁₀，C₁₁，C₁₂，C₁₃，C₁₄，C₁₅分别为函数f_α1(i)的系数；所述各系数根据最小二乘法并利用Matlab分析软件获得；

根据所获得的函数关系式即确定调速系统任意负载下所对应的最优控制参数。

如图4所示，为本发明有限时间控制最优控制参数拟合曲线图。设调速系统的额定功率、额定电压、额定电流分别为：P_N＝15kW、U_N＝380V、I_N＝30.1A。在该调速系统额定负载范围内按一定间距取30组负载数据，即针对BBMC输出电流在其额定输出电流范围内按一定间距取30个输出电流数据，如取输出电流初值为1.4A，按0.4A的间距依次递增，取30个输出电流数据，并针对每个输出电流采用自适应狼群算法获得有限时间控制各最优控制参数，如表1所示。

表1 BBMC输出电流及相应的最优控制参数表

根据表1所获得的30组BBMC输出电流及相应的最优控制参数，采用数值拟合方法获得相应的函数关系式；所述数值拟合方法优选采用最小二乘法；所述函数关系式包括最优控制参数K₁与BBMC实际输出电流间的函数关系式、最优控制参数K₂与BBMC实际输出电流间的函数关系式以及最优控制参数α₁与BBMC实际输出电流间的函数关系式，具体如下：

1)最优控制参数K₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，如式(13)所示：

f_K1(i)＝A₁i⁴+A₂i³+A₃i²+A₄i+A₅(13)

式中：A₁＝4.163×10^-5，A₂＝-0.001382，A₃＝0.01484，A₄＝0.00125，A₅＝0.02925。

2)最优控制参数K₂与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，如式(14)所示：

f_K2(i)＝B₁i⁴+B₂i³+B₃i²+B₄i+B₅(14)

式中：B₁＝0.0004296，B₂＝-0.01408，B₃＝0.1537，B₄＝-0.2423，B₅＝0.0802。

3)最优控制参数α₁与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，如式(15)所示：

式中：C₁＝0.1448，C₂＝11.29，C₃＝1.84，C₄＝0.07538，C₅＝6.413，C₆＝0.4914，C₇＝0.07578，C₈＝2.162，C₉＝1.123，C₁₀＝0.08371，C₁₁＝2.678，C₁₂＝4.058，C₁₃＝0.09212，C₁₄＝7.344，C₁₅＝1.663。

上述各最优控制参数相应函数关系式中的系数为根据最小二乘法并利用Matlab分析软件而获得。根据上述各最优控制参数与BBMC实际输出电流i间的函数关系式，即可根据调速系统所带实际负载的大小实时调节各控制参数，使调速系统达到最佳的运行效果。