0 引　言

逆变器是舰船电力系统中发挥变流作用的重要设备^[1]。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：

$ {P_{\max }} = \frac{3}{2}{\left( {\frac{{2P_{}^ * }}{{3{U_{}}}}} \right)^2} + P_{}^ * 。$

(1)

式中：P_max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：

$ P_{}^ * = \frac{3}{4}U\left( {\sqrt {U_{}^2 + \frac{8}{3}{P_{\max }}} - U} \right) 。$

(2)

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控制器的输入量，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\left( t \right) = {K_p}e\left( t \right) + \frac{1}{{{T_i}}}\int_0^t e \left( t \right){\rm{d}}t + {T_d}\frac{{{\rm{d}}e\left( t \right)}}{{{\rm{d}}t}}。$

(3)

式中： $ t $ 表示舰船逆变器功率采样周期，K_p与T_i分别表示比例系数与积分系数，T_d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。d_ij与τ_ij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，η_ij(t)=1/d_ij与 $ \rho $ 分别表示启发信息以及信息素挥发因子， $ p_{ij}^k $ 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：

$ p_{ij}^k = \frac{{\tau _{ij}^\alpha \left( t \right)\eta _{ij}^\beta \left( t \right)}}{{\sum {\tau _{ij}^\alpha \left( t \right)\eta _{ij}^\beta \left( t \right)} }} 。$

(4)

式中， $ \alpha $ 与 $ \beta $ 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：

$ \tau _{ij}^{}\left( {t + n} \right) = \left( {1 - \rho } \right)\tau _{ij}^{}\left( t \right) + \Delta \tau _{ij}^{} 。$

(5)

式中， $ \Delta \tau _{ij}^{} $ 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σ，功率上升时间t_r以及功率响应时间t_s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：

$ F = {\omega _1}\left( {\frac{\sigma }{{{\sigma _0}}}} \right) + {\omega _2}\left( {\frac{{{t_r}}}{{{t_{r0}}}}} \right) + {\omega _3}\left( {\frac{{{t_s}}}{{{t_{s0}}}}} \right) 。$

(6)

式中，σ₀、t_r0与t_s0表示利用经验法获取的理想性能指标，ω₁、ω₂与ω₃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K_p0、T_i0、K_i0，以及采用该控制参数时，对应的舰船逆变器性能指标σ₀、t_r0与t_s0。设置算法最大循环次数N_max，初始化蚁群算法的信息量 $ \tau _{ij}^0 $ 。

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，加入步骤2定义的记录蚂蚁移动路径的一维数组中；

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，依据蚂蚁的前进路径，计算PID控制器此时的控制参数 $ K_p^k $ 、 $ T_i^k $ 、 $ T_d^k $ 。利用Simulink软件，对舰船逆变器此时的功率控制状况进行仿真，获取此时舰船逆变器的性能指标 $ {\sigma ^k} $ 、 $ t_r^k $ 与 $ t_s^k $ ，记录此时的目标函数值 $ {F_k} $ 。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_p^ * $ 、 $ T_i^ * $ 、 $ T_d^ * $ 。

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时，注入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。