基于蟻群算法的艦船逆變控制器功率PID 控制研究

龔 旭

（江蘇航運職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 南通 226010）

0 引言

逆變器是艦船電力系統(tǒng)中發(fā)揮變流作用的重要設(shè)備[1]。逆變器的運行性能，決定了艦船電力系統(tǒng)的電能輸出質(zhì)量與輸出效率。伴隨電力技術(shù)不斷發(fā)展，人們對逆變器的電壓等級提出了更高的要求[2-4]。通過高效的逆變器功率控制方法，提升艦船逆變器的運行效率，降低逆變器的開關(guān)損耗，輸出高電壓等級的電能。

已有眾多研究學(xué)者針對逆變器控制進行研究。劉陳瑞揚等[5]針對微電網(wǎng)在逆變器與柴油發(fā)電機組并聯(lián)運行供電結(jié)構(gòu)中逆變器的控制方法進行研究。該方法利用鎖相環(huán)檢測電力系統(tǒng)頻率變化，采用有功調(diào)頻下垂控制方法控制系統(tǒng)頻率，通過無功電壓下垂控制方法控制系統(tǒng)電壓，優(yōu)化逆變器的外環(huán)控制指令。該方法雖然可以均分逆變器與柴油發(fā)電機組的有功功率和無功功率，但是存在無法快速動態(tài)響應(yīng)電壓頻率的缺陷。宋武健等[6]針對艦船逆變器在并網(wǎng)運行時的模式切換技術(shù)進行研究，該方法提出輔助發(fā)電機與逆變器控制模式切換結(jié)合的控制策略，設(shè)計了能量管理系統(tǒng)，控制電力系統(tǒng)的發(fā)電機與逆變器，保障了艦船低壓設(shè)備的供電性能。該方法提升了發(fā)電機與逆變器并網(wǎng)控制時功率分配與控制穩(wěn)定性，但是存在控制響應(yīng)速度過慢的缺陷。

針對以上方法在逆變器控制中存在的問題，為了獲取更好的艦船逆變器功率控制效果，研究基于蟻群算法的艦船逆變控制器功率PID 控制方法。通過優(yōu)化后的PID 控制器控制艦船逆變器功率，獲取理想的艦船電力系統(tǒng)有功功率與無功功率，降低艦船電力系統(tǒng)運行時的電流諧波。

1 艦船逆變控制器功率PID 控制

1.1 艦船逆變器的功率分析

利用PID 控制器控制艦船逆變器以最大功率傳輸，提升逆變器的運行效率。艦船逆變器以最大功率傳輸時，艦船電力系統(tǒng)的交流電流諧波最低，網(wǎng)側(cè)單位功率最高，電力系統(tǒng)的電壓與最大功率點電壓相同。構(gòu)建艦船電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，艦船逆變器的期望功率平衡表達式為：

式中：Pmax與P*分別表示艦船電力系統(tǒng)的最大功率點以及逆變器期望輸出功率，U表示艦船電力系統(tǒng)的相電壓峰值。

依據(jù)式(1)，可得艦船逆變器的期望輸出最大功率表達式為：

利用PID 控制器，控制艦船逆變器的輸出功率，最大程度的接近期望輸出最大功率。

1.2 艦船逆變器的功率PID 控制器

利用PID 控制器，控制艦船逆變器功率。設(shè)置艦船逆變器的期望輸出功率作為PID 控制器的輸入量，逆變器的實際輸出功率作為PID 控制器的輸出量。PID 控制器輸入量與輸出量之間的偏差用e(t) 表示。PID 控制器控制量u(t)為：

式中：t表示艦船逆變器功率采樣周期，Kp與Ti分別表示比例系數(shù)與積分系數(shù)，Td表示微分系數(shù)。

PID 控制器的控制參數(shù)整定結(jié)果，決定了PID 控制器的艦船逆變器功率控制性能。艦船逆變器的期望輸出功率已知，采樣周期已知，因此僅需要確定PID控制器的控制參數(shù)，即可獲取具有最佳艦船逆變控制器功率控制性能的PID 控制器。

1.3 蟻群算法優(yōu)化PID 的逆變器功率控制

選取蟻群算法對控制艦船逆變器功率的PID 控制器優(yōu)化，通過路徑構(gòu)建和信息素更新兩部分，求解PID 控制器優(yōu)化的最優(yōu)路徑選擇問題。dij與τij分別表示路徑節(jié)點i與路徑節(jié)點j之間的距離以及信息素濃度，ηij(t)=1/dij與 ρ分別表示啟發(fā)信息以及信息素揮發(fā)因子，表示螞蟻k在節(jié)點i上，選擇節(jié)點j的概率。利用螞蟻選擇目的節(jié)點的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則，構(gòu)建螞蟻的移動路徑。狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則的表達式如下：

式中，α 與 β表示信息啟發(fā)因子、期望啟發(fā)因子。

為了避免蟻群算法運算時，啟發(fā)信息被殘留信息淹沒，更新蟻群搜尋最佳PID 控制參數(shù)路徑上的信息素。蟻群算法的信息素更新公式如下：

式中，?τij表示本次信息素更新的信息素增量。

選取艦船逆變器的功率超調(diào)量σ，功率上升時間tr以及功率響應(yīng)時間ts作為蟻群算法優(yōu)化PID 控制器的性能指標，構(gòu)建蟻群算法優(yōu)化PID 控制器的目標函數(shù)表達式如下：

式中，σ0、tr0與ts0表示利用經(jīng)驗法獲取的理想性能指標，ω1、ω2與ω3表示各指標對應(yīng)的權(quán)重參數(shù)。

采用蟻群算法優(yōu)化PID 控制器，對控制艦船逆變器功率的PID 控制器進行優(yōu)化，獲取最佳的PID 控制參數(shù)，優(yōu)化流程圖如圖1 所示。

圖1 蟻群算法優(yōu)化PID 控制器流程圖Fig.1 Flow chart of PID controller optimized by ant colony algorithm

蟻群算法優(yōu)化艦船逆變控制器功率PID 控制的流程如下：

步驟1依據(jù)艦船逆變器的功率控制經(jīng)驗，給定PID 控制器的初始參數(shù)Kp0、Ti0、Ki0，以及采用該控制參數(shù)時，對應(yīng)的艦船逆變器性能指標σ0、tr0與ts0。設(shè)置算法最大循環(huán)次數(shù)Nmax，初始化蟻群算法的信息量。

步驟2設(shè)定蟻群算法的螞蟻數(shù)量。為蟻群算法中的螞蟻，定義一個一維數(shù)組，記錄螞蟻的前進路徑。

步驟3利用式(4)計算蟻群算法中的螞蟻，從當(dāng)前節(jié)點移動至下一個節(jié)點的概率。將螞蟻的路徑信息，加入步驟2 定義的記錄螞蟻移動路徑的一維數(shù)組中；

步驟4設(shè)置迭代次數(shù)加1，重復(fù)以上步驟；

步驟5螞蟻完成全部節(jié)點移動時，依據(jù)螞蟻的前進路徑，計算PID 控制器此時的控制參數(shù)利用Simulink 軟件，對艦船逆變器此時的功率控制狀況進行仿真，獲取此時艦船逆變器的性能指標記錄此時的目標函數(shù)值Fk。對比該螞蟻行走路徑下的目標函數(shù)值，與其他螞蟻行走路徑下的目標函數(shù)值，挑選最優(yōu)的螞蟻行走路徑，記錄最優(yōu)路徑下的PID 控制器控制參數(shù)

步驟6更新螞蟻的信息素，將上一次循環(huán)時，螞蟻留下的路徑信息清除。

步驟7蟻群內(nèi)的全部螞蟻，收斂于相同路徑時，終止算法迭代。此時獲取的最優(yōu)路徑，對應(yīng)的PID 控制器參數(shù)，即最優(yōu)PID 控制器參數(shù)。利用最優(yōu)PID 控制器參數(shù)，控制艦船逆變器功率。

2 結(jié)果與分析

為了驗證所研究功率控制器對艦船逆變器功率的控制性能，選取某大型艦船電力系統(tǒng)作為研究對象。該電力系統(tǒng)選取太陽能作為供電能源。艦船光伏電力系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 艦船光伏電力系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter settings of ship photovoltaic power system

艦船光伏電力系統(tǒng)的光照強度變化如圖2 所示?？梢钥闯觯撆灤娏ο到y(tǒng)的光照強度采用方波跳變方式，為艦船電力系統(tǒng)提供電能。

圖2 光照強度變化Fig.2 Changes in light intensity

依據(jù)艦船光伏電力系統(tǒng)運行參數(shù)，以及光照環(huán)境變化，利用Matlab 仿真軟件，對艦船電力系統(tǒng)進行模擬。艦船電力系統(tǒng)逆變器網(wǎng)側(cè)交流電壓、有功功率與無功功率波形圖如圖3～圖5 所示。分析可知，采用本文方法控制艦船電力系統(tǒng)的逆變器功率，逆變器網(wǎng)側(cè)交流電壓的中點電壓波動幅度低于1V，電壓波動的平均值與0 接近，滿足艦船電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行需求。逆變器的有功功率快速達到期望功率值，無功功率與0 極為接近。采用本文方法控制艦船逆變器功率，可以獲取良好的有功功率跟蹤效果，驗證本文方法具有良好的功率控制性能。本文方法控制逆變器功率時，功率極為穩(wěn)定，未出現(xiàn)超調(diào)情況，控制效果良好。

圖3 逆變器網(wǎng)側(cè)交流電壓Fig.3 AC voltage at the inverter side

圖4 逆變器有功功率輸出結(jié)果Fig.4 Inverter active power output results

圖5 逆變器無功功率輸出結(jié)果Fig.5 Inverter reactive power output results

統(tǒng)計采用本文方法控制逆變器功率，統(tǒng)計不同的最大功率點時，逆變器的功率超調(diào)量、功率上升時間、功率響應(yīng)時間等性能參數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果如表2 所示?？梢钥闯?，本文方法在不同的最大功率點位置時，注入電網(wǎng)的功率即逆變器的輸出功率，有效跟蹤最大功率點，實現(xiàn)電能的高效傳輸，滿足最大功率點的跟蹤性能。電力系統(tǒng)的功率因數(shù)保持在1。本文方法的功率超調(diào)量、功率響應(yīng)時間以及功率上升時間，均保持在最小的范圍內(nèi)。本文方法可以保持較優(yōu)的艦船逆變器功率控制性能，為艦船電網(wǎng)的可靠運行提供基礎(chǔ)。

表2 艦船逆變器性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of ship inverters

3 結(jié)語

為了改善PID 控制器控制逆變器功率時，存在的響應(yīng)速度過慢的缺陷，利用蟻群算法對PID 控制器優(yōu)化，利用優(yōu)化后的PID 控制器控制逆變器功率。采用該方法控制艦船逆變器，逆變器輸出功率與電力系統(tǒng)最大功率接近，滿足電力系統(tǒng)的最大功率傳輸狀態(tài)，同時保證電力系統(tǒng)的電流以低諧波狀態(tài)傳輸。采用蟻群算法優(yōu)化的PID 控制器控制艦船逆變器，具有易于調(diào)試和易于實現(xiàn)的特點，適宜應(yīng)用于艦船電力系統(tǒng)。