基于分数阶QPCI自适应参数的三相逆变器控制方法

《Fractal and Fractional》：A Control Method for Three-Phase Inverters Based on Adaptive Parameters of Fractional-Order QPCIs

　　

为了改善三相NPC逆变器在不平衡工作条件下的性能，研究人员提出了一种基于自适应分数阶算法的准比例复数积分控制器（QPCI）三相逆变器控制方法。首先，分析了传统控制方法在不平衡负载条件下性能不佳的原因。随后，提出了一种分数阶准比例复数积分（FO-QPCI）控制器，并系统研究了其控制参数，包括比例增益（K_P）、积分增益（K_I）、谐振频率（ω_c）和分数阶（μ）的影响。此外，利用最优控制参数数据集训练广义回归神经网络（GRNN），通过该网络建立自适应参数调优模型。因此，所提出的FO-QPCI控制器能够根据不同的电压参考值和负载不平衡程度动态调整其控制参数。最后，为了验证所提控制策略的有效性，开发了基于三电平逆变器的仿真模型和实验平台。结果表明，所提出的控制方法在不平衡工作条件下对输出电压和谐波具有良好的控制能力。

**论文解读文章**

**研究背景、问题与意义**

三相三电平中性点钳位（NPC）逆变器因其低谐波失真和低损耗等优势，在车载逆变器及可再生能源并网变流器中得到广泛应用。然而，在独立（离网）运行模式下，负载功率完全由逆变器提供，负载特性直接影响逆变器输出性能。当负载为单相或三相不平衡时，逆变器输出可能出现电压不平衡和波形畸变，导致系统性能下降甚至威胁稳定运行，这些问题严重限制了三电平逆变器的实际应用。传统控制方法，如比例积分（PI）控制器，在同步旋转坐标系下对交流信号无法实现零稳态误差跟踪，在不平衡负载条件下电压输出质量下降。虽然比例复数积分（PCI）控制器能实现交流信号零稳态误差跟踪，但其仅有一个谐振峰值，无法抑制谐波，且对负序分量抑制能力有限。准比例复数积分（QPCI）控制器通过引入带宽系数增强了稳定性，但固定参数下对不同不平衡负载的适应性差，且存在谐波。其他复合控制策略如PI与重复控制器组合，常需牺牲稳态误差以保证系统稳定性；准比例谐振（QPR）控制器虽能提供高增益，但谐振频率附近存在谐波分量。大多数现有控制策略采用固定参数，难以在电压指令和不平衡工况变化时保持最优控制性能。因此，有必要研究一种能自适应调整参数的控制方法，以提升逆变器在不平衡条件下的输出性能。研究人员提出了一种基于分数阶QPCI自适应参数的三相逆变器控制方法，并发表在《Fractal and Fractional》期刊上。

**关键技术与方法**

研究人员主要采用了以下关键技术方法：（1）提出分数阶准比例复数积分（FO-QPCI）控制器，在传统QPCI控制器中引入分数阶算子，增强系统的频率响应调节能力；（2）利用广义回归神经网络（GRNN）构建自适应参数调优模型，以电压指令和负载不平衡度作为输入，以K_P、K_I、ω_c、μ四个最优参数作为输出，并通过K折交叉验证优化平滑因子，实现参数的在线自适应调整；（3）基于Matlab/Simulink建立仿真模型，并搭建基于DSP28335的三电平NPC逆变器实验平台，进行实时控制验证。

**研究结果**

**5. 仿真验证**

**5.1 与PI控制方法的仿真比较**
在Matlab2023b/Simulink中建立自适应分数阶QPCI模型与PI控制方法模型，设置相电压幅值311V，在平衡和不平衡负载下对比三相电压电流波形。结果显示：平衡负载下两种方法均能有效控制电压；不平衡负载（10Ω、15Ω、20Ω）下，PI方法电压无法稳定在311V且明显不平衡，而所提方法可将三相电压稳定在311V且保持平衡。当负载不平衡加剧（10Ω、20Ω、30Ω）时，PI方法进一步恶化，所提方法仍能维持参考电压和三相平衡。当电压指令升至400V时，PI方法电压不平衡更严重，所提方法精确跟踪电压指令并保持平衡。所提方法的电压不平衡系数（VUF）保持在0.1%以下，优于传统方法。

**5.2 与IQPCI控制方法的仿真比较**
将所提参数自适应FO-QPCI方法与具有负序抑制能力的IQPCI（改进QPCI）方法进行对比。在311V电压指令、10Ω、15Ω、20Ω负载下，所提方法电压不平衡度为0.07%，总谐波失真率（THD）为1.1%；IQPCI方法的电压不平衡度为1.48%，THD为3.5%。当负载加重至10Ω、20Ω、30Ω时，所提方法电压不平衡度和THD分别降低0.96%和2.49%。当电压指令升至400V时，所提方法电压不平衡度仅0.02%，THD为1.2%；IQPCI方法电压不平衡度升至1.08%，THD为4.1%。因此，参数自适应FO-QPCI方法具有良好的电压不平衡抑制和谐波抑制能力。

**5.3 与IQPCI控制方法的暂态仿真比较**
在0.1s时刻，将三相负载从平衡（10Ω、10Ω、10Ω）切换至不平衡（10Ω、20Ω、30Ω），电压指令400V。IQPCI方法在负载变化时三相电压出现80V过冲畸变，约0.02s后恢复稳态；所提方法仅出现微小畸变，约0.01s后快速进入稳态。当负载从不平衡（10Ω、15Ω、20Ω）切换至更严重不平衡（10Ω、20Ω、30Ω）时，IQPCI方法出现40V过冲，约0.02s恢复；所提方法畸变较小且快速进入稳态。

**6. 实验验证**
基于DSP28335的NPC逆变器实验平台，控制算法包括FO-QPCI控制器和GRNN参数自适应模块，分数阶算子通过Oustaloup算法拟合实现，GRNN模型离线训练后在线仅执行网络参数，执行时间约25.6μs。在311V电压指令、10Ω、15Ω、20Ω负载下，所提方法三相电压控制能力明显优于PI方法。在400V电压指令、10Ω、20Ω、30Ω负载下，所提方法能有效平衡并控制三相电压。暂态实验显示，负载从10Ω、15Ω、20Ω切换至10Ω、20Ω、30Ω时，IQPCI方法存在过冲，所提方法波形畸变小且快速恢复稳态。

**总结与结论**

**讨论部分总结**
论文未设独立的讨论部分，但通过仿真与实验对比，验证了所提方法在不同电压指令和不平衡负载条件下的有效性，证明其相比传统PI和IQPCI方法在电压不平衡抑制、谐波消除及动态响应方面具有显著优势。

**研究结论翻译**
为了改善NPC逆变器在不平衡负载条件下的电压调节性能，本文提出了一种基于分数阶QPCI自适应参数的三相逆变器控制方法。该方法利用分数阶准比例复数积分控制器控制不平衡负载下的电压，并通过GRNN神经网络设计了参数优化算法。根据仿真与实验验证，得出以下结论：（1）采用分数阶微积分算法改进比例复数积分形成FO-QPCI，能有效控制三相电压，提高对复杂场景的适应性。（2）开发了基于GRNN的参数优化算法，自适应调优控制器参数（K_P、K_I、ω_c、μ），从而在不同电压参考值和不同程度负载不平衡下实现控制器参数的在线调整，显著提升FO-QPCI控制器的电压调节性能。（3）本文提出的控制方法能增强逆变器在不同电压指令和不平衡负载条件下的输出电压控制能力和谐波抑制能力。与传统的IQPCI控制方法相比，当电压变化时，该控制方法的不平衡度和谐波含量分别降低1.06%和2.9%；当不平衡负载变化时，分别降低0.96%和2.49%。