基于蚁群算法的舰船逆变控制器功率PID控制研究.pdf

第45卷第2 0 期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEAND TECHNOLOGYVol.45,No.20Oct.,2023基于蚁群算法的舰船逆变控制器功率PID控制研究龚旭（江苏航运职业技术学院交通工程学院，江苏南通2 2 6 0 10）摘要：研究基于蚁群算法的舰船逆变控制器功率PID控制方法，利用舰船逆变器功率控制结果，提升舰船电力系统的运行可靠性。依据舰船电力系统稳态运行时，逆变器的功率平衡状态，确定舰船逆变器的期望输出最大功率。设置舰船逆变器的期望输出功率作为PID控制器的输人量，逆变器的实际输出功率作为PID控制器的输出量，选取功率超调量、功率上升时间以及功率响应时间作为性能指标，构建蚁群算法优化PID控制器的目标函数，设置蚁群算法最优路径对应的参数，作为PID控制器的参数优化结果，输出舰船逆变器功率控制结果。实验结果表明，采用该方法控制舰船逆变器功率，逆变器的输出功率可有效跟踪最大功率点，满足舰船电力系统的电能高效传输需求。关键词：蚁群算法；舰船电力系统；逆变器；输出功率；PID控制器；最优路径中图分类号：TM571文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 0-0 142-0 4Research on power PID control of ship inverter controller based on ant colony algorithm(Department of Marine Engineering,Jiangsu Shipping College,Nantong 226010,China)Abstract:Power PID control method of ship inverter controller based on ant colony algorithm is studied,and the powercontrol results of ship inverter are used to improve the operational reliability of ship power system.According to the powerbalance state of the inverter during steady operation of the ship power system,the expected maximum power output of the in-verter is determined.The expected output power of the ship inverter is set as the input of the PID controller,and the actualoutput power of the inverter is set as the output of the PID controller.The power overshot,power rise time and power re-sponse time are selected as the performance indicators.The objective function of the PID controller is optimized by the antcolony algorithm,and the parameters corresponding to the optimal path of the ant colony algorithm are set.As the parameteroptimization result of PID controller,the power control result of ship inverter is output.The experimental results show thatthe inverter power is controlled by this method,and the output power of the inverter can effectively track the maximumpower point,and meet the demand of efficient transmission of electric energy in the ship power system.Key words:ant colony algorithm;ship power system;inverter;output power;PID controller;optimal path0引言逆变器是舰船电力系统中发挥变流作用的重要设备!。逆变器的运行性能，决定了舰船电力系统的电能输出质量与输出效率。伴随电力技术不断发展，人们对逆变器的电压等级提出了更高的要求2-4。通过高效的逆变器功率控制方法，提升舰船逆变器的运行效率，降低逆变器的开关损耗，输出高电压等级的电能。已有众多研究学者针对逆变器控制进行研究。刘收稿日期：2 0 2 3-0 417基金项目：南通市科技局项目（MSZ20190）；江苏省交通运输职业教育研究课题（2 0 2 1-C11)；南通市科技计划项目（MS22022054）作者简介：龚旭（198 5），女，硕士，讲师，主要研究方向为机电一体化。文献标识码：AGONG Xu陈瑞扬等5 针对微电网在逆变器与柴油发电机组并联运行供电结构中逆变器的控制方法进行研究。该方法利用锁相环检测电力系统频率变化，采用有功调频下垂控制方法控制系统频率，通过无功电压下垂控制方法控制系统电压，优化逆变器的外环控制指令。该方法虽然可以均分逆变器与柴油发电机组的有功功率和无功功率，但是存在无法快速动态响应电压频率的缺陷。宋武健等6 针对舰船逆变器在并网运行时的模式切换技术进行研究，该方法提出辅助发电机与逆变器doi:10.3404/j.issn.1672-7649.2023.20.026第45卷控制模式切换结合的控制策略，设计了能量管理系统，控制电力系统的发电机与逆变器，保障了舰船低压设备的供电性能。该方法提升了发电机与逆变器并网控制时功率分配与控制稳定性，但是存在控制响应速度过慢的缺陷。针对以上方法在逆变器控制中存在的问题，为了获取更好的舰船逆变器功率控制效果，研究基于蚁群算法的舰船逆变控制器功率PID控制方法。通过优化后的PID控制器控制舰船逆变器功率，获取理想的舰船电力系统有功功率与无功功率，降低舰船电力系统运行时的电流谐波。1舰船逆变控制器功率PID控制1.1舰船逆变器的功率分析利用PID控制器控制舰船逆变器以最大功率传输，提升逆变器的运行效率。舰船逆变器以最大功率传输时，舰船电力系统的交流电流谐波最低，网侧单位功率最高，电力系统的电压与最大功率点电压相同。构建舰船电力系统稳态运行时，舰船逆变器的期望功率平衡表达式为：3Pmax=/2P*23U式中：Pmax与P分别表示舰船电力系统的最大功率点以及逆变器期望输出功率，U表示舰船电力系统的相电压峰值。依据式(1)，可得舰船逆变器的期望输出最大功率表达式为：(2)max3利用PID控制器，控制舰船逆变器的输出功率，最大程度的接近期望输出最大功率。1.2舰船逆变器的功率PID控制器利用PID控制器，控制舰船逆变器功率。设置舰船逆变器的期望输出功率作为PID控制器的输人量，逆变器的实际输出功率作为PID控制器的输出量。PID控制器输入量与输出量之间的偏差用e(t)表示。PID控制器控制量u(t)为：u(t)=Kpe(t)+T;Jo式中：t表示舰船逆变器功率采样周期，K，与T,分别表示比例系数与积分系数，Ta表示微分系数。PID控制器的控制参数整定结果，决定了PID控制器的舰船逆变器功率控制性能。舰船逆变器的期望龚旭：基于蚁群算法的舰船逆变控制器功率PID控制研究器功率控制性能的PID控制器1.3蚁群算法优化PID的逆变器功率控制选取蚁群算法对控制舰船逆变器功率的PID控制器优化，通过路径构建和信息素更新两部分，求解PID控制器优化的最优路径选择问题。dj,与tij分别表示路径节点i与路径节点j之间的距离以及信息素浓度，ni;(t)=1/di;与p分别表示启发信息以及信息素挥发因子，表示蚂蚁k在节点i上，选择节点j的概率。利用蚂蚁选择目的节点的状态转移规则，构建蚂蚁的移动路径。状态转移规则的表达式如下：(4)式中，与表示信息启发因子、期望启发因子。为了避免蚁群算法运算时，启发信息被残留信息淹没，更新蚁群搜寻最佳PID控制参数路径上的信息素。蚁群算法的信息素更新公式如下：Ti;(t+n)=(1-p)Ti;(t)+ATij(1)式中，AT,表示本次信息素更新的信息素增量。选取舰船逆变器的功率超调量，功率上升时间t以及功率响应时间ts作为蚁群算法优化PID控制器的性能指标，构建蚁群算法优化PID控制器的目标函数表达式如下：+W2L.F=W1+W3LS一tro82+-Pe(t)dt+Tade(t)dt?143输出功率已知，采样周期已知，因此仅需要确定PID控制器的控制参数，即可获取具有最佳舰船逆变控制(5)tso(6)式中，0 o、t o 与tso表示利用经验法获取的理想性能指标，1、2 与3表示各指标对应的权重参数。采用蚁群算法优化PID控制器，对控制舰船逆变器功率的PID控制器进行优化，获取最佳的PID控制参数，优化流程图如图1所示。蚁群算法优化舰船逆变控制器功率PID控制的流程如下：步骤1依据舰船逆变器的功率控制经验，给定PID控制器的初始参数Kpo、T i o、K i o，以及采用该控制参数时，对应的舰船逆变器性能指标o、t r o 与tso。设置算法最大循环次数Nmax，初始化蚁群算法的信息(3)量t%tij步骤2 设定蚁群算法的蚂蚁数量。为蚁群算法中的蚂蚁，定义一个一维数组，记录蚂蚁的前进路径。步骤3利用式(4)计算蚁群算法中的蚂蚁，从当前节点移动至下一个节点的概率。将蚂蚁的路径信息，加人步骤2 定义的记录蚂蚁移动路径的一维数组中；:144Fig.1 Flow chart of PID controller optimized by ant步骤4设置迭代次数加1，重复以上步骤；步骤5蚂蚁完成全部节点移动时，依据蚂蚁的前舰船科学技术开始表1舰船光伏电力系统参数设置Tab.1 Parameter settings of ship photovoltaic power system参数初始化搜寻最优路径更新信息素更新最优路径N是否满足终止条件Y结束图1蚁群算法优化PID控制器流程图colony algorithm第45卷参数数值最大功率点电压/V348赋值PID控制参数最大功率点电流/A光伏电源计算逆变器功率率性能指标20.2电容/uF2.100相电压峰值/A155电抗器电感/mH16逆变器电抗器电阻/Q1300120011001000900800700600500上0.2进路径，计算PID控制器此时的控制参数K、T F、Th。利用Simulink软件，对舰船逆变器此时的功率控d制状况进行仿真，获取此时舰船逆变器的性能指标ok、与，记录此时的目标函数值Fk。对比该蚂蚁行走路径下的目标函数值，与其他蚂蚁行走路径下的目标函数值，挑选最优的蚂蚁行走路径，记录最优路径下的PID控制器控制参数K、T)、T a。步骤6 更新蚂蚁的信息素，将上一次循环时，蚂蚁留下的路径信息清除。步骤7 蚁群内的全部蚂蚁，收敛于相同路径时，终止算法迭代。此时获取的最优路径，对应的PID控制器参数，即最优PID控制器参数。利用最优PID控制器参数，控制舰船逆变器功率。2结果与分析为了验证所研究功率控制器对舰船逆变器功率的控制性能，选取某大型舰船电力系统作为研究对象。该电力系统选取太阳能作为供电能源。舰船光伏电力系统的参数设置如表1所示。舰船光伏电力系统的光照强度变化如图2 所示。可以看出，该舰船电力系统的光照强度采用方波跳变方式，为舰船电力系统提供电能。依据舰船光伏电力系统运行参数，以及光照环境变化，利用Matlab仿真软件，对舰船电力系统进行模拟。舰船电力系统逆变器网侧交流电压、有功功率与无功功率波形图如图3 图5所示。分析可知，采用本文方法控制舰船电力系统的逆变器功率，逆变器网侧40030001020304050 60708090时间/min图2 光照强度变化Fig.2Changes in light intensity交流电压的中点电压波动幅度低于1V，电压波动的平均值与0 接近，满足舰船电力系统的稳定运行需求。逆变器的有功功率快速达到期望功率值，无功功率与0极为接近。采用本文方法控制舰船逆变器功率，可以获取良好的有功功率跟踪效果，验证本文方法具有良好的功率控制性能。本文方法控制逆变器功率时，功率极为稳定，未出现超调情况，控制效果良好。统计采用本文方法控制逆变器功率，统计不同的最大功率点时，逆变器的功率超调量、功率上升时间、功率响应时间等性能参数，统计结果如表2 所示。可以看出，本文方法在不同的最大功率点位置250200150100500-50-100-150-200-25000.1 0.20.30.40.50.60.70.8 0.9时间s图3逆变器网侧交流电压Fig.3AC voltage at the inverter side第45卷5.0004.5004.000350030002.500200015001000500000.10.20.30.40.50.6 0.70.80.9时间/s图4逆变器有功功率输出结果Fig.4 Inverter active power output results320240180120600-60-120-180-240-320图5逆变器无功功率输出结果Fig.5 Inverter reactive power output results时，注人电网的功率即逆变器的输出功率，有效跟踪最大功率点，实现电能的高效传输，满足最大功率点的跟踪性能。电力系统的功率因数保持在1。本文方法的功率超调量、功率响应时间以及功率上升时间，均保持在最小的范围内。本文方法可以保持较优的舰船逆变器功率控制性能，为舰船电网的可靠运行提供基础。3结语为了改善PID控制器控制逆变器功率时，存在的响应速度过慢的缺陷，利用蚁群算法对PID控制器优化，利用优化后的PID控制器控制逆变器功率。采用龚旭：基于蚁群算法的舰船逆变控制器功率PID控制研究期望功率最大功率点1最大功率点2最大功率点3最大功率/W1864.5输出功率/W1861.4效率/%99.5谐波电流/%1.3功率因数1功率超调量/%0.58功率上升时间/s0.23功率响应时间/s0.35该方法控制舰船逆变器，逆变器输出功率与电力系统最大功率接近，满足电力系统的最大功率传输状态，同时保证电力系统的电流以低谐波状态传输。采用蚁群算法优化的PID控制器控制舰船逆变器，具有易于调试和易于实现的特点，适宜应用于舰船电力系统。0.10.20.30.40.50.60.70.80.9时间/s:145.表2 舰船逆变器性能参数Tab.2 Performance parameters of ship inverters指标参考文献：1】刘春玲王明,张瑾.四旋翼ESO的RBF神经网络PID控制器研究.电光与控制,2 0 2 1,2 8(9):8 4-8 8+93.2欧阳子路，王鸿东，王检耀，等.基于智能控制的船舶水动力导数敏感性分析方法J.中国舰船研究，2 0 2 1，16(4):116-124.3】袁绍军，郭金智，尹兆磊，等.单相逆变器双环+时滞的复合控制方法研究J.电力电子技术，2 0 2 2,56(8)：32-35+40.4高鑫，杨青，张绥彬，等.基于改进蚁群算法的新型AVC策略.电网与清洁能源,2 0 2 2,38(10):6 0-6 8.5】刘陈瑞扬,付立军，胡祺，等.柴发机组与逆变器并联运行暂稳态功率均分控制方法J.电机与控制学报，2 0 2 2,2 6(3)10-21.6】宋武健，王国玲罗成汉，等.船舶氢储直流电力推进系统控制器转速环带宽设计方法J.中国舰船研究，2 0 2 3,18(0 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