dc-ac逆变器分数阶与整数阶pid控制对比
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图1三相全桥逆变器主电路拓扑图lddtilailbi??????????lcua0ub0uc??????????0uaubu??????????cicaicbi??????????ccilailbi??????????lciaibi??????????cicaicbi??????????cccddtuaubu?????????????????????????c132龙存林申耀华王允建
Ａ ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＳｔｕｄｙｏｆＤＣＡＣ ＩｎｖｅｒｔｅｒｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙＦｒａｃｔｉｏｎａｌＯｒｄｅｒ ａｎｄＩｎｔｅｇｅｒＯｒｄｅｒＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ
ＬＯＮＧＣｕｎｌｉｎ１，２，ＳＨＥＮ Ｙａｏｈｕａ２，ＷＡＮＧＹｕｎｊｉａｎ２
（１．ＱｉｎｇｈａｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒｔｈｅＭｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎｅｓｅａｎｄＴｉｂｅｔａｎＭｅｄｉｃｉｎｅ， ＱｉｎｇｈａｉＤｒｕｇＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉｎｉｎｇ８１００００，Ｃｈｉｎａ；
０ 引言
分布式并网发电系统可实现大容量冗余供电，被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一。作为分布式 发电系统的能量通道，并网逆变器并网运行造成的电能质量问题，如稳态电压波动、谐波污染等问题必须受到
收 稿 日 期 ：２０１９１１０４ 作者简介：龙存林（１９８９），男，青海湟源人，助理工程师，非全 日 制 硕 士 研 究 生 在 读，从 事 多 年 有 源 医 疗 器 械 检 测 工
第
二十五卷 第一 Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１
期
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＮＨＵＩＥＬＥＣＴＲ安ＩＣ徽ＡＬ电Ｅ气Ｎ工ＧＩ程ＮＥ职ＥＲ业ＩＮＬＬＥＧＥ
２Ｍ０２ａｒ０ｃｈ年２３０２月０
ＤＣＡＣ逆变器分数阶与整数阶 ＰＩＤ控制对比
龙 存 林 １，２， 申 耀 华 ２， 王 允 建 ２
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｖｏｌｔａｇｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｉｎｖｅｒｔｅｒｓｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅｌｏｏｐＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅｎｏｔｉｄｅａｌａｎｄｔｏｔａｌｈａｒｍｏｎｉｃｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ（ＴＨＤ）ｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｉｓｈｉｇｈ．Ｆｏｒｔｈｅｓｅｒｅａｓｏｎｓ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｌｆｔｕｎｉｎｇｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｂａｓｅｄｏｎｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄ ｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｎｅａｒａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｌｏａｄｓｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｅｓｔｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｃｕｒｒｅｎｔｉｎｎｅｒｌｏｏｐａｎｄｉｎｔｅｇｅｒｏｒｄｅｒ ＰＩＤｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｅｒｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｔｈｅｂｅｓｔ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｔｈｅｉｎｔｅｇｅｒｏｒｄｅｒＰＩＤ ｃｕｒｒｅｎｔｉｎｎｅｒｌｏｏｐａｎｄ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｅｒｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｈｅｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｃｕｒｒｅｎｔｉｎｎｅｒｌｏｏｐａｎｄ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｅｒｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ—ｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅ ｌｏｏｐＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｔｏｔａｌｈａｒｍｏｎｉｃｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ；ＬＣｆｉｌｔｅｒ
作 ，研 究 方 向 为 医 疗 器 械 电 气 安 全 性 。 Ｅｍａｉｌ：１００３５２６２６２＠ ｑｑ．ｃｏｍ
· ２２·
龙存林，申耀华，王允建：ＤＣＡＣ逆变器分数阶与整数阶 ＰＩＤ控制对比
严格控制［１～３］。因此，高性能的逆变器必须满足稳定性高、动态响应速度快以及鲁棒性好等要求。 并网逆变器的控制技术决定输出电能质量。并网逆变器控制可分为间接电流控制和直接电流控
制 。 ［４］ 由于间接电流控制存在动态响应 慢，鲁 棒 性 差 等 缺 点，实 际 并 网 逆 变 器 多 采 用 直 接 电 流 控 制 的 方法。学术界提出和发展了多种直接电流控制方法，如 基 于 ＰＩＤ的 控 制 ［５］，滞 环 电 流 控 制 ［６］，比 例 谐 振 控制 和 ［７］ 重复控制 等 ［８］ 。但是上述控制在稳定性、快速性和鲁棒性等方面仍存在不足。
分数阶 ＰＩλＤμ 控制具有稳定性高和动态响应速度快 的 特 点，将 分 数 阶 控 制 器 用 来 控 制 三 相 逆 变 器 可以获得较好的控制性能。分数阶控制器主要分 为 四 种 ［９］，一 是 ＴＩＤ控 制 器。它 是 由 分 数 阶 环 节 和 传 统的整数阶微积分环节并联而成。其结构简 单，调 节 方 便，但 控 制 效 果 不 理 想。 二 是 Ｏｕｓｔａｌｏｕｐ提 出 的 ＣＲＯＮＥ控制器 。 ［１０，１１］ 其鲁棒性、控制性能较好。三 是 Ｐｏｄｌｕｂｎｙ提 出 的 ＰＩλＤμ 控 制 器 。 ［１２］ 四 是 超 前 滞 后校正补偿器 ［１３］，其控制性能较为理想，但是 需 要 系 统 的 设 计 方 法。 文 献 ［１４］将 分 数 阶 ＰＩλ 控 制 应 用 于单相光伏并网逆变器中，取得了比整数阶 ＰＩ控 制 更 好 的 控 制 效 果；文 献 ［１５］利 用 分 数 阶 ＰＩλ 控 制 算 法去改进预测函数控制，增强了逆 变 器 输 出 的 稳 定 性 和 鲁 棒 性；文 献 ［１６］提 出 了 基 于 拉 格 朗 日 差 值 的 分数阶重复控制理论并应用于单相逆变器。相比 于 传 统 ＰＩＤ，ＰＩλＤμ 控 制 器 在 参 数 整 定 时 比 较 复 杂，但 能 够 提 高 稳 定 性 、鲁 棒 性 等 系 统 性 能 。
（１．青海省药品检验检测院 青海省中藏药现代化研究重点实验室，青海 西宁 ８１００００； ２．河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 ４５４０００）
摘 要：针对传统双环 ＰＩＤ控制三相逆变器系统存在输出电压质量和鲁棒性不够理想，输出电 压谐波含有率较高等问题，设计基于 神 经 网 络 参 数 自 整 定 的 分 数 阶 ＰＩλＤμ 双 环 控 制 器：ＰＩλＤμ 电流内环 ＰＩλＤμ 电压外环控制、ＰＩλＤμ 电流内环 ＰＩＤ电压外环控制和 ＰＩＤ电流内环 ＰＩλＤμ 电压 外环控制，并 应 用 于 不 同 的 线 性 及 非 线 性 负 载，考 察 其 控 制 性 能。 仿 真 研 究 表 明，分 数 阶 ＰＩλＤμ 电流内环整数阶 ＰＩＤ电压外环控制性能最好，其次是整数阶 ＰＩＤ电流内环分数阶 ＰＩλＤμ 电压外环控制和分数阶 ＰＩλＤμ 电流内环 分 数 阶 ＰＩλＤμ 电 压 外 环 控 制，性 能 最 差 的 是 传 统 的 双 环 ＰＩＤ控制。 关键词：分数阶 ＰＩλＤμ 控制；逆变器；谐波含有率；ＬＣ滤波 中 图 分 类 号 ： ＴＭ４６４ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １６７２９７０６（２０２０）０１００２２０７
Ａ ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＳｔｕｄｙｏｆＤＣＡＣ ＩｎｖｅｒｔｅｒｓＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄｂｙＦｒａｃｔｉｏｎａｌＯｒｄｅｒ ａｎｄＩｎｔｅｇｅｒＯｒｄｅｒＰＩＤ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ
ＬＯＮＧＣｕｎｌｉｎ１，２，ＳＨＥＮ Ｙａｏｈｕａ２，ＷＡＮＧＹｕｎｊｉａｎ２
（１．ＱｉｎｇｈａｉＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｆｏｒｔｈｅＭｏｄｅｒｎｉｚａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎｅｓｅａｎｄＴｉｂｅｔａｎＭｅｄｉｃｉｎｅ， ＱｉｎｇｈａｉＤｒｕｇＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＴｅｓｔｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉｎｉｎｇ８１００００，Ｃｈｉｎａ；
０ 引言
分布式并网发电系统可实现大容量冗余供电，被公认为当今逆变技术发展的重要方向之一。作为分布式 发电系统的能量通道，并网逆变器并网运行造成的电能质量问题，如稳态电压波动、谐波污染等问题必须受到
收 稿 日 期 ：２０１９１１０４ 作者简介：龙存林（１９８９），男，青海湟源人，助理工程师，非全 日 制 硕 士 研 究 生 在 读，从 事 多 年 有 源 医 疗 器 械 检 测 工
第
二十五卷 第一 Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．１
期
ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＡＮＨＵＩＥＬＥＣＴＲ安ＩＣ徽ＡＬ电Ｅ气Ｎ工ＧＩ程ＮＥ职ＥＲ业ＩＮＬＬＥＧＥ
２Ｍ０２ａｒ０ｃｈ年２３０２月０
ＤＣＡＣ逆变器分数阶与整数阶 ＰＩＤ控制对比
龙 存 林 １，２， 申 耀 华 ２， 王 允 建 ２
２．ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎ，ＨｅｎａｎＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｏｚｕｏ４５４０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｖｏｌｔａｇｅｑｕａｌｉｔｙａｎｄｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓｏｆｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｉｎｖｅｒｔｅｒｓｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅｌｏｏｐＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｒｅｎｏｔｉｄｅａｌａｎｄｔｏｔａｌｈａｒｍｏｎｉｃｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ（ＴＨＤ）ｏｆｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｉｓｈｉｇｈ．Ｆｏｒｔｈｅｓｅｒｅａｓｏｎｓ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｅｌｆｔｕｎｉｎｇｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｂａｓｅｄｏｎｎｅｕｒａｌｎｅｔｗｏｒｋａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄａｐｐｌｉｅｄ ｔｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｉｎｅａｒａｎｄｎｏｎｌｉｎｅａｒｌｏａｄｓｉｎｏｒｄｅｒｔｏｔｅｓｔｔｈｅｉｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ ｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒｄｅｓｉｇｎｅｄｗｉｔｈｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｃｕｒｒｅｎｔｉｎｎｅｒｌｏｏｐａｎｄｉｎｔｅｇｅｒｏｒｄｅｒ ＰＩＤｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｅｒｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｔｈｅｂｅｓｔ，ｆｏｌｌｏｗｅｄｂｙｔｈｅｉｎｔｅｇｅｒｏｒｄｅｒＰＩＤ ｃｕｒｒｅｎｔｉｎｎｅｒｌｏｏｐａｎｄ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｅｒｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒａｎｄｔｈｅｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｃｕｒｒｅｎｔｉｎｎｅｒｌｏｏｐａｎｄ ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｖｏｌｔａｇｅｏｕｔｅｒｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ—ｍｕｃｈｂｅｔｔｅｒｔｈａｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｗｉｔｈｄｏｕｂｌｅ ｌｏｏｐＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒａｃｔｉｏｎａｌｏｒｄｅｒＰＩλＤμ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ；ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｔｏｔａｌｈａｒｍｏｎｉｃｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ；ＬＣｆｉｌｔｅｒ
作 ，研 究 方 向 为 医 疗 器 械 电 气 安 全 性 。 Ｅｍａｉｌ：１００３５２６２６２＠ ｑｑ．ｃｏｍ
· ２２·
龙存林，申耀华，王允建：ＤＣＡＣ逆变器分数阶与整数阶 ＰＩＤ控制对比
严格控制［１～３］。因此，高性能的逆变器必须满足稳定性高、动态响应速度快以及鲁棒性好等要求。 并网逆变器的控制技术决定输出电能质量。并网逆变器控制可分为间接电流控制和直接电流控
制 。 ［４］ 由于间接电流控制存在动态响应 慢，鲁 棒 性 差 等 缺 点，实 际 并 网 逆 变 器 多 采 用 直 接 电 流 控 制 的 方法。学术界提出和发展了多种直接电流控制方法，如 基 于 ＰＩＤ的 控 制 ［５］，滞 环 电 流 控 制 ［６］，比 例 谐 振 控制 和 ［７］ 重复控制 等 ［８］ 。但是上述控制在稳定性、快速性和鲁棒性等方面仍存在不足。
分数阶 ＰＩλＤμ 控制具有稳定性高和动态响应速度快 的 特 点，将 分 数 阶 控 制 器 用 来 控 制 三 相 逆 变 器 可以获得较好的控制性能。分数阶控制器主要分 为 四 种 ［９］，一 是 ＴＩＤ控 制 器。它 是 由 分 数 阶 环 节 和 传 统的整数阶微积分环节并联而成。其结构简 单，调 节 方 便，但 控 制 效 果 不 理 想。 二 是 Ｏｕｓｔａｌｏｕｐ提 出 的 ＣＲＯＮＥ控制器 。 ［１０，１１］ 其鲁棒性、控制性能较好。三 是 Ｐｏｄｌｕｂｎｙ提 出 的 ＰＩλＤμ 控 制 器 。 ［１２］ 四 是 超 前 滞 后校正补偿器 ［１３］，其控制性能较为理想，但是 需 要 系 统 的 设 计 方 法。 文 献 ［１４］将 分 数 阶 ＰＩλ 控 制 应 用 于单相光伏并网逆变器中，取得了比整数阶 ＰＩ控 制 更 好 的 控 制 效 果；文 献 ［１５］利 用 分 数 阶 ＰＩλ 控 制 算 法去改进预测函数控制，增强了逆 变 器 输 出 的 稳 定 性 和 鲁 棒 性；文 献 ［１６］提 出 了 基 于 拉 格 朗 日 差 值 的 分数阶重复控制理论并应用于单相逆变器。相比 于 传 统 ＰＩＤ，ＰＩλＤμ 控 制 器 在 参 数 整 定 时 比 较 复 杂，但 能 够 提 高 稳 定 性 、鲁 棒 性 等 系 统 性 能 。
（１．青海省药品检验检测院 青海省中藏药现代化研究重点实验室，青海 西宁 ８１００００； ２．河南理工大学 电气工程与自动化学院，河南 焦作 ４５４０００）
摘 要：针对传统双环 ＰＩＤ控制三相逆变器系统存在输出电压质量和鲁棒性不够理想，输出电 压谐波含有率较高等问题，设计基于 神 经 网 络 参 数 自 整 定 的 分 数 阶 ＰＩλＤμ 双 环 控 制 器：ＰＩλＤμ 电流内环 ＰＩλＤμ 电压外环控制、ＰＩλＤμ 电流内环 ＰＩＤ电压外环控制和 ＰＩＤ电流内环 ＰＩλＤμ 电压 外环控制，并 应 用 于 不 同 的 线 性 及 非 线 性 负 载，考 察 其 控 制 性 能。 仿 真 研 究 表 明，分 数 阶 ＰＩλＤμ 电流内环整数阶 ＰＩＤ电压外环控制性能最好，其次是整数阶 ＰＩＤ电流内环分数阶 ＰＩλＤμ 电压外环控制和分数阶 ＰＩλＤμ 电流内环 分 数 阶 ＰＩλＤμ 电 压 外 环 控 制，性 能 最 差 的 是 传 统 的 双 环 ＰＩＤ控制。 关键词：分数阶 ＰＩλＤμ 控制；逆变器；谐波含有率；ＬＣ滤波 中 图 分 类 号 ： ＴＭ４６４ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ： １６７２９７０６（２０２０）０１００２２０７