用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM方法

摘要

本发明公开了一种用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM方法，本发明依据机理分析和实验建模相结合的方法建立计及兆瓦级三相逆变系统输出波形质量和系统损耗等多性能指标的多目标优化SVPWM模型，设计基于个体迭代的外部存档型多目标优化求解器获得一组Pareto最优的SVPWM控制序列集，设计人员依据实际工程需求自动选取最优解，将其传输给兆瓦级三相逆变系统脉宽调制模块。采用本发明可实现满足输出波形质量和系统损耗等多性能指标折中优化的大功率三相逆变器SVPWM优化控制效果，兆瓦级三相逆变系统输出波形总谐波畸变率更低，且能保证逆变系统具有更低的损耗，更能满足实际工程对逆变系统综合指标优化运行的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域大功率变换器优化控制技术，特别涉及一种用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制)方法。

背景技术

近年来，大容量逆变装置在大型冶炼、电能质量控制、电力牵引、大型风电和光伏电站等新能源电力系统中得到了广泛的应用。研发大容量逆变装置的主要性能指标包括提高逆变装置输出波形质量、降低系统损耗、减小装置体积等。通常而言，提高逆变装置输出波形质量和降低系统损耗这两个目标是相互矛盾的，因此如何设计一种空间矢量PWM策略获得这两个目标的折中优化已成为大容量逆变装置优化控制领域的关键技术难题之一。现有技术主要分为两种：(1)、在保证其中一个性能指标满足给定约束条件的情况下，采用优化技术优化另一个性能指标；(2)、采用权重系数法将这两个性能指标叠加为单个优化目标。这两种技术本质上都是将计及逆变装置波形质量和系统损耗的多目标优化问题转化为单目标优化问题，第一种技术存在约束条件难以精准确定和难以适应复杂工况变化等缺陷，第二种技术存在权重系数严重依赖工程经验、无法准确量化等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM方法，该方法包括以下步骤：

(1)依据机理分析和实验建模相结合的方法建立计及兆瓦级三相逆变系统输出波形质量和系统损耗等多性能指标的多目标优化SVPWM模型；设置多目标优化求解器的优化参数(包括最大迭代优化次数I_max和外部存档最大容量A_max)的数值；

(2)将三相逆变系统前1/3周期内开关控制序列的空间矢量A₀A₁A₂A₃A₄A₅A₆A₇及对应的矢量作用时间T₀T₁T₂T₃T₄T₅T₆T₇作为优化变量进行编码，随机产生一个初始个体S＝A₀A₁A₂A₃A₄A₅A₆A₇T₀T₁T₂T₃T₄T₅T₆T₇，并令外部存档A_R为空集，其中A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇的取值范围为0～7，T₀、T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇的取值范围为0～278，且满足T₀+T₁+T₂+T₃+T₄+T₅+T₆+T₇＝T_s，其中T_s表示每个扇区的开关周期；

(3)对当前个体S逐个优化变量进行随机变异并保持其它变量不变，产生M个子代个体{S_i,i＝1,2,…,M}，其中M等于优化变量的个数；

(4)对每个子代S_i对应的兆瓦级三相逆变系统输出电流波形质量和系统损耗所涉及的多目标适应度函数进行计算评估，得到所有适应度函数值{f_j(S_i)，j＝1,2,…,n}，n表示适应度函数的个数；

(5)使用基于非支配排序的Pareto适应度评价准则对个体S_i,i＝1,2,…,M进行Pareto排序；若只存在一个非支配个体，则令该个体为S_N；如果存在多个非支配个体，则按照指数概率分布函数随机选择一个个体作为S_N；

(6)采用基于拥挤度距离的自适应更新机制更新外部文档A_R，具体实现方式如下：

(6.1)如果A_R中至少有一个个体能够支配S_N，则个体S_N不加入外部存档A_R；

(6.2)如果S_N能够支配A_R中的某些个体，则将这些被支配的个体从A_R中移除，并将个体S_N加入A_R；

(6.3)如果A_R中所有个体与S_N互不支配时，且A_R的个体数未达到最大个数A_max，则将S_N加入A_R；若A_R的个体数达到A_max，且若S_N位于A_R中最拥挤的位置，则不加入外部存档A_R；否则S_N将替代位于A_R中最拥挤位置的个体。拥挤的程度采用拥挤距离来量化评估，拥挤度距离计算方法具体如下：对A_R中所有个体{A_R(k),k＝1,2,..,m}对应的n个适应度函数{f_l(A_R(k)),l＝1,2,..,m,k＝1,2,…,n}按照升序排序，其中m为A_R中的个体数，从而使得f_l(A_R(O(1)))≤f_l(A_R(O(2)))≤…≤f_l(A_R(O(m)))，其中O(1),O(2)…,O(m)为排序索引号，A_Rl(O(i))表示第l个适应度函数值排序为O(i)对应的外部文档个体；A_Rl(O(1))和A_Rl(O(m))的拥挤距离d(A_Rl(O(1)))和d(A_Rl(O(m)))为：d(A_Rl(O(1)))＝d(A_Rl(O(m)))＝∞；对于i＝2,…,(m－1)，则A_Rl(O(i))的拥挤距离d(A_Rl(O(i)))为：A_Rl(O(i))＝[A_Rl(O(i+1))－A_Rl(O(i－1))]/[f_l(A_Rl(O(m))－f_l(A_Rl(O(1))]。

(7)S_N无条件地替代当前个体S。

(8)重复步骤(3)至(7)，直至满足达到最大迭代优化次数I_max。

(9)选取Pareto解集中间序号所对应的非支配解，将其传输给兆瓦级三相逆变系统的空间矢量脉宽调制模块，通过示波器检测兆瓦级三相逆变系统输出电流波形和对应的总谐波畸变率。

其中，多目标优化SVPWM的适应度函数及约束条件具体计算如式(1)～(5)所示：

min F(x)＝min{f₁(x),f₂(x),f₃(x)}(1)

$f_1\left(x\right)=\underset{j=0}{\overset{N}{\Sigma }}{\int }_{j\Delta t}^{(j+1)\Delta t}{\left(I_A\right(t)-I_{Aref}(t\left)\right)}^2+{\left(I_B\right(t)-I_{Bref}(t\left)\right)}^2+{\left(I_C\right(t)-I_{Cref}(t\left)\right)}^2)dt,\Delta t=\frac{2\pi }{3N}---\left(2\right)$

f₂(x)＝THD_I(x)(3)

f₃(x)＝P_T(x,k)＝6(E_Gon(x,k)+E_Goff(x,k)+E_Doff(x,k)+E_Gcond(x,k)+E_Dcond(x,k))>

s.t.l≤THD_V(x)≤u(5)

其中，I_A(t)、I_B(t)、I_C(t)分别表示逆变器输出的A、B、C三相在第t时刻的电流值，I_Aref(t)、I_Bref(t)、I_Cref(t)分别表示逆变器A、B、C三相在第t时刻的标准正弦电流参考值，N表示分割的数量，THD_I(x)表示在解x作用下的逆变系统输出电流波形的总谐波畸变率，l和u分别表示工程能容忍的输出电压波形总谐波畸变率的下限和上限值，P_T(x,k)表示系统在解x作用下第k时刻状态下的损耗，E_Gon(x,k)表示对应的IGBT开通损耗，E_Goff(x,k)表示对应的IGBT关断损耗，E_Doff(x,k)表示对应的反并联二极管关断损耗，E_Gcond(x,k)表示对应的IGBT通态损耗，E_Dcond(x,k)表示对应的反并联二极管通态损耗。P_T(x,k)中各项损耗的估算方法如下：首先通过功率器件生产厂家提供的技术手册查询到输入电压V_d、集电极电压V_ce分别与集电极电流I_ce之间的特性曲线以及IGBT开通损耗P_son、反并联二极管关断损耗P_doff、IGBT关断损耗P_soff分别与IGBT集电极电流I_ce之间的特性曲线，再采用MATLAB软件曲线拟合方法获得各个多项式系数，具体估算表达式如下：

E_Gon(x,k)＝E_Gon(x,k-1)+β₁₁(I_L(x,k))²+β₁₂|I_L(x,k)|+β₁₃(6)

E_Goff(x,k)＝E_Goff(x,k-1)+β₂₁(I_L(x,k))²+β₂₂|I_L(x,k)|+β₂₃(7)

E_Doff(x,k)＝E_Doff(x,k-1)+β₃₁(I_L(x,k))²+β₃₂|I_L(x,k)|+β₃₃(8)

E_Gcond(x,k)＝E_Gcond(x,k-1)+(β₄₁(I_L(x,k))²+β₄₂|I_L(x,k)|+β₄₃)|I_L(x,k)|Δt(9)

E_Dcond(x,k)＝E_Dcond(x,k-1)+(β₅₁(I_L(x,k))²+β₅₂|I_L(x,k)|+β₅₃)|I_L(x,k)|Δt(10)

$\Delta t=\frac{2\pi }{3N}---\left(11\right)$

其中E_Gon(x,k-1)表示在解x作用下第k-1时刻状态下IGBT的开通损耗，E_Goff(x,k-1)表示在解x作用下第k-1时刻状态下IGBT的关断损耗，E_Doff(x,k-1)表示在解x作用下第k-1时刻状态下反并联二极管的关断损耗，E_Gcond(x,k-1)表示在解x作用下第k-1时刻状态下IGBT的通态损耗，E_Dcond(x,k-1)表示对应的反并联二极管通态损耗，I_L(x,k)表示系统在解x作用下第k时刻状态下流经负载的电流值，β₁₁、β₁₂、β₁₃、β₂₁、β₂₂、β₂₃、β₃₁、β₃₂、β₃₃、β₄₁、β₄₂、β₄₃、β₅₁、β₅₂、β₅₃为多项式拟合曲线系数。

本发明的有益效果是：采用本发明可实现满足输出波形质量和系统损耗等多性能指标折中优化的大功率三相逆变系统SVPWM优化控制效果，具有现有技术所不具备的以下优点：兆瓦级三相逆变系统输出波形总谐波畸变率更低，且能保证逆变器具有更低的损耗，更能满足实际工程对逆变器综合指标优化运行的需求。

附图说明

图1为应用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM方法的原理示意图；

图2为应用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM方法的实现步骤示意图。

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为应用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM方法的原理示意图，其中V_DC为直流电压，G₁～G₆表示6个IGBT模块，C_s表示直流侧电容，L₁和C₁分别表示滤波电感和滤波电容，I_A、I_B、I_C分别表示逆变系统流经滤波电感的A、B、C三相电流，I_L表示负载侧电流。

图2为应用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM方法实现步骤示意图。

以一个功率为1兆瓦的三相逆变系统为例，采用本发明提出的所述的多目标优化SVPWM方法进行实施。

所述的一种用于兆瓦级三相逆变系统的多目标优化SVPWM方法，包括以下步骤：

(1)依据机理分析和实验建模相结合的方法建立计及兆瓦级三相逆变系统输出波形质量和系统损耗等多性能指标的多目标优化SVPWM模型；设置多目标优化求解器的优化参数：包括最大迭代优化次数I_max＝500和外部存档的最大容量A_max＝100；

(2)将三相逆变系统前1/3周期内开关控制序列的空间矢量A₀A₁A₂A₃A₄A₅A₆A₇及对应的矢量作用时间T₀T₁T₂T₃T₄T₅T₆T₇作为优化变量进行编码，随机产生一个初始个体S＝A₀A₁A₂A₃A₄A₅A₆A₇T₀T₁T₂T₃T₄T₅T₆T₇，并令外部存档A_R为空集，其中A₀、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、A₆、A₇的取值范围为0～7，T₀、T₁、T₂、T₃、T₄、T₅、T₆、T₇的取值范围为0～278，且满足T₀+T₁+T₂+T₃+T₄+T₅+T₆+T₇＝T_s，其中每个扇区的开关周期T_s＝278微秒；

(3)对当前个体S逐个优化变量进行随机变异并保持其它变量不变，产生M个子代个体{S_i,i＝1,2,…,M}，其中M＝16；

(4)对每个子代S_i对应的兆瓦级三相逆变系统输出电流波形质量和系统损耗所涉及的多目标适应度函数进行计算评估，得到所有适应度函数值{f_j(S_i)，j＝1,2,…,n}，n表示适应度函数的个数；

(5)使用基于非支配排序的Pareto适应度评价准则对个体S_i,i＝1,2,…,M进行Pareto排序；若只存在一个非支配个体，则令该个体为S_N；如果存在多个非支配个体，则按照指数概率分布函数随机选择一个个体作为S_N；

(6)采用基于拥挤度距离的自适应更新机制更新外部文档A_R，具体实现方式如下：

(6.1)如果A_R中至少有一个个体能够支配S_N，则个体S_N不加入外部存档A_R；

(6.2)如果S_N能够支配A_R中的某些个体，则将这些被支配的个体从A_R中移除，并将个体S_N加入A_R；

(6.3)如果A_R中所有个体与S_N互不支配时，且A_R的个体数未达到最大个数A_max，则将S_N加入A_R；若A_R的个体数达到A_max，且若S_N位于A_R中最拥挤的位置，则不加入外部存档A_R；否则S_N将替代位于A_R中最拥挤位置的个体。拥挤的程度采用拥挤距离来量化评估，拥挤度距离计算方法具体如下：对A_R中所有个体{A_R(k),k＝1,2,..,m}对应的n个适应度函数{f_l(A_R(k)),l＝1,2,..,m,k＝1,2,…,n}按照升序排序，其中m为A_R中的个体数，从而使得f_l(A_R(O(1)))≤f_l(A_R(O(2)))≤…≤f_l(A_R(O(m)))，其中O(1),O(2)…,O(m)为排序索引号，A_Rl(O(i))表示第l个适应度函数值排序为O(i)对应的外部文档个体；A_Rl(O(1))和A_Rl(O(m))的拥挤距离d(A_Rl(O(1)))和d(A_Rl(O(m)))为：d(A_Rl(O(1)))＝d(A_Rl(O(m)))＝∞；对于i＝2,…,(m－1)，则A_Rl(O(i))的拥挤距离d(A_Rl(O(i)))为：A_Rl(O(i))＝[A_Rl(O(i+1))－A_Rl(O(i－1))]/[f_l(A_Rl(O(m))－f_l(A_Rl(O(1))]。

(7)S_N无条件地替代当前个体S。

(8)重复步骤(3)至(7)，直至满足达到最大迭代优化次数I_max。

(9)选取Pareto解集中间序号所对应的非支配解，将其传输给兆瓦级三相逆变系统的空间矢量脉宽调制模块，通过示波器检测兆瓦级三相逆变系统输出电压波形和对应的总谐波畸变率。

其中，多目标优化SVPWM的适应度函数及约束条件具体计算如式(1)～(5)所示：

min F(x)＝min{f₁(x),f₂(x),f₃(x)}(1)

$f_1\left(x\right)=\underset{j=0}{\overset{N}{\Sigma }}{\int }_{j\Delta t}^{(j+1)\Delta t}{\left(I_A\right(t)-I_{Aref}(t\left)\right)}^2+{\left(I_B\right(t)-I_{Bref}(t\left)\right)}^2+{\left(I_C\right(t)-I_{Cref}(t\left)\right)}^2)dt,\Delta t=\frac{2\pi }{3N}---\left(2\right)$

f₂(x)＝THD_I(x)(3)

f₃(x)＝P_T(x,k)＝6(E_Gon(x,k)+E_Goff(x,k)+E_Doff(x,k)+E_Gcond(x,k)+E_Dcond(x,k))(4)

s.t.l≤THD_V(x)≤u(5)

其中，I_A(t)、I_B(t)、I_C(t)分别表示逆变器输出的A、B、C三相在第t时刻的电流值，I_Aref(t)、I_Bref(t)、I_Cref(t)分别表示逆变器A、B、C三相在第t时刻的标准正弦电流参考值，N表示分割的数量，THD_I(x)表示在解x作用下的逆变系统输出电流波形的总谐波畸变率，l和u分别表示工程能容忍的输出电压波形总谐波畸变率的下限和上限值，P_T(x,k)表示系统在解x作用下第k时刻状态下的损耗，E_Gon(x,k)表示对应的IGBT开通损耗，E_Goff(x,k)表示对应的IGBT关断损耗，E_Doff(x,k)表示对应的反并联二极管关断损耗，E_Gcond(x,k)表示对应的IGBT通态损耗，E_Dcond(x,k)表示对应的反并联二极管通态损耗。P_T(x,k)中各项损耗的估算方法如下：首先通过功率器件生产厂家提供的技术手册查询到输入电压V_d、集电极电压V_ce分别与集电极电流I_ce之间的特性曲线以及IGBT开通损耗P_son、反并联二极管关断损耗P_doff、IGBT关断损耗P_soff分别与IGBT集电极电流I_ce之间的特性曲线，再采用MATLAB软件曲线拟合方法获得各个多项式系数，具体估算表达式如下：

E_Gon(x,k)＝E_Gon(x,k-1)+β₁₁(I_L(x,k))²+β₁₂|I_L(x,k)|+β₁₃(6)

E_Goff(x,k)＝E_Goff(x,k-1)+β₂₁(I_L(x,k))²+β₂₂|I_L(x,k)|+β₂₃(7)

E_Doff(x,k)＝E_Doff(x,k-1)+β₃₁(I_L(x,k))²+β₃₂|I_L(x,k)|+β₃₃(8)

E_Gcond(x,k)＝E_Gcond(x,k-1)+(β₄₁(I_L(x,k))²+β₄₂|I_L(x,k)|+β₄₃)|I_L(x,k)|Δt(9)

E_Dcond(x,k)＝E_Dcond(x,k-1)+(β₅₁(I_L(x,k))²+β₅₂|I_L(x,k)|+β₅₃)|I_L(x,k)|Δt(10)

$\Delta t=\frac{2\pi }{3N}---\left(11\right)$

其中E_Gon(x,k-1)表示在解x作用下第k-1时刻状态下IGBT的开通损耗，E_Goff(x,k-1)表示在解x作用下第k-1时刻状态下IGBT的关断损耗，E_Doff(x,k-1)表示在解x作用下第k-1时刻状态下反并联二极管的关断损耗，E_Gcond(x,k-1)表示在解x作用下第k-1时刻状态下IGBT的通态损耗，E_Dcond(x,k-1)表示对应的反并联二极管通态损耗，I_L(x,k)表示系统在解x作用下第k时刻状态下流经负载的电流值，β₁₁、β₁₂、β₁₃、β₂₁、β₂₂、β₂₃、β₃₁、β₃₂、β₃₃、β₄₁、β₄₂、β₄₃、β₅₁、β₅₂、β₅₃为多项式拟合曲线系数。

本发明实施后获得的效果：在阻性、感性等不同类型负载情形下，采用本发明的兆瓦级三相逆变系统输出电流波形的THD绝对值相比现有技术至少降低0.8％，系统损耗绝对值比现有技术至少降低2.5％，并且在负载突增和负载突卸等特殊情形下的系统鲁棒性均比现有技术更强。

综上所述，采用本发明可实现满足输出波形质量和系统损耗等多性能指标折中优化的大功率三相逆变系统SVPWM优化控制效果，具有现有技术所不具备的以下优点：兆瓦级三相逆变系统输出波形总谐波畸变率更低，且能保证逆变器具有更低的损耗，更能满足实际工程对逆变器综合指标优化运行的需求。