有源电力滤波器电气参数在线辨识系统及方法
【专利摘要】本发明公开了一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统及方法，建立APF在dq同步旋转坐标系下的数学模型，并对其在线辨识方法进行分析。给出有源电力滤波器在线辨识的非线性控制方法，利用波波夫超稳定理论，设计电感自适应律观测器，所设计的APF在线辨识自适应系统具有较好的稳态和动态性能，特别是对补偿电流的精确计算提供了较好的参数。仿真证明了所提理论的正确性和控制策略的有效性。
【专利说明】
有源电力滤波器电气参数在线辨识系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子运行技术领域，尤其涉及一种有源电力滤波器电气参数在线 辨识系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前谐波含量的存在对电网的影响十分巨大，所以各种滤波设备便由之而来，有 源滤波器在此具有突出的应用，但高性能的有源电力滤波器系统跟踪指令的性能要求很 高，同时当外部出现扰动的时候，抗扰能力和鲁棒性要求也比较高。所以，在线辨识电气参 数的能力对有源电力滤波器(APF)的要求很高，同时还要求有源电力滤波器根据所辨识的 参数自动调节控制器的结构和控制的参数。
[0003] 近些年来有源电力滤波器的控制算法层出不穷，都各自提高了对谐波电流的补偿 效果，但是相继的问题也被忽略，随着电抗器长时间的运行，会不断老化，电抗器的参数也 会逐渐发生变化，三相不对称程度加剧，这很严重的影响了计算补偿回路电流的数值。
[0004] 在有源电力滤波器运行工作中，由于运行时间过长、温度等不确定性因素的影响， 有源电力滤波器对谐波电流的补偿效果经常与理论值相差较大，因而准确性被质疑。因此， 电网运行管理部门需要一种更为准确的、在线辨识有源电力滤波器实施参数的检测方法。 [0005]总而言之，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题是：如何在有源滤 波器运行的过程中找到一种高效的检测方法来有效的增强谐波电流计算的稳定性。
【发明内容】
[0006] 本发明为了解决上述问题，提出了一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统及 方法，该系统及方法能够在不影响有源电力滤波器正常运行的情况下在线辨识出有源电力 滤波器的电气参数。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
[0008] -种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统，包括:参考模型、可调模型以及参数 自适应调整模块；
[0009] 所述参考模型和可调模型输入量相同，所述参考模型和可调模型的输出量的偏差 值输入参数自适应调整模块;所述参数自适应调整模块根据输入量以及输出偏差值，通过 设计自适应律调整调整可调模型的输出，使得参考模型和可调模型的输出量的偏差值为 零。
[0010] 进一步地，所述参考模型和可调模型的输入量相同且输出量为相同物理含义。
[0011] 进一步地，所述参考模型为有源电力滤波器的结构模型，所述可调模型为有源电 力滤波器在dq坐标系下的数学模型。
[0012] -种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统的辨识方法，包括以下步骤：
[0013] (1)确定有源电力滤波器电气参数在线辨识参考模型和可调模型，所述可调模型 为与参考模型相对应的具有相同的动态响应的数学模型；
[0014] (2)将有源电力滤波器在dq坐标系下的状态方程表示为矩阵形式，引入可调参数 &，得到可调模型的状态空间方程；
[0015] (3)求取可调参数i的自适应律，根据所述可调参数'的自适应律，调整可调模型 的输出，使得参考模型和可调模型的输出量的偏差值为零。
[0016] 进一步地，所述步骤（1)中，参考模型为有源电力滤波器的结构模型，所述可调模 型为有源电力滤波器在dq坐标系下的数学模型。
[0017] 进一步地，所述步骤(2)中，可调模型的状态空间方程具体为：
r ra r a 「nmol 甘出 A 一^及 w B- M 〇 r
[0019] 其中，乂= 办一 A C = -w - m |_〇 所」. ? ? *
[0020] I为电流状态矢量在可调模型中的输出
，'为可调参数，￡ 为未知参数电感矢量;R为电阻，W为角频率，Ud。为直流侧电压。
[0021] 进一步地，所述步骤(3)中，求取可调参数@的自适应律的方法具体为：
[0022] 根据将有源电力滤波器在dq坐标系下的状态方程以及可调模型的状态空间方程， 得到标准波波夫非线性反馈系统；
[0023]将标准波波夫非线性反馈系统分解为非线性反馈回路和线性定常前向回路；
[0024]按照超稳定性理论，假设非线性反馈回路满足波波夫积分不等式，且线性定常前 向回路为严格正实时，系统稳定；
[0025] 将可调参数m的自适应律设计为具有记忆性质的积分环节的PI调节器;根据系统 稳定的条件求取PI调节器的具体表示形式，得到参数^的自适应律。
[0026] 进一步地，所述可调参数^的自适应律具体为：
[0028] 其中，是参数m初始估计值人4/:均为正数，R为电阻，Vl、^为2维输入矢量， Ud、Uq分别为三相电压在dq轴分量<分别为三相电流在dq轴分量，Udc为直流侧电压。
[0029] 本发明的有益效果是：
[0030] 1、提升了有源电力滤波器参数采集的实时性与准确性。
[0031 ] 2、本发明的电气参数实时辨识方法比常规的计算方法更加准确，为谐波电流的计 算提供了更为准确的参数基础。
[0032] 3、能够在外部出现扰动的时候，增强有源电力滤波器的抗扰能力并且具有较好的 鲁棒性。
【附图说明】
[0033]图1为有源电力滤波器电气参数在线辨识系统结构框图；
[0034]图2为非线性反馈系统示意图；
[0035]图3为等价非线性时变系统反馈框图；
[0036]图4为电感自适应辨识的结果；
[0037]图5为补偿电流ica跟踪指令电流ica*示意图。
【具体实施方式】
[0038]下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0039] -种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统，如图1所示，包括:参考模型、可调模 型以及参数自适应调整模块；
[0040] 参考模型和可调模型输入量相同，参考模型和可调模型的输出量的偏差值输入参 数自适应调整模块;参数自适应调整模块根据输入量以及输出偏差值，通过设计自适应律 调整调整可调模型的输出，使得参考模型和可调模型的输出量的偏差值为零。
[0041]有源电力滤波器电气参数在线辨识系统中有两个独立的系统即实际的物理系统 和理论模型系统。实际的物理系统一般是实际的控制对象，其模型参数是未知的或时变的， 而理论模型系统是与物理系统相对应的并具有相同的动态响应的数学模型，该数学模型的 参数是可以根据响应可调节的。在有源电力滤波器电气参数在线辨识系统中，实际物理系 统被当作参考模型，与之相对应的理论模型被当作可调模型，参考模型和可调模型的输入 量相同并且输出量具有相同的物理意义。
[0042]本发明中，APF是参考模型，可调模型是有源电力滤波器在dq坐标系下的数学模 型。在图1中，ym表不APF输出的电流值，u表不输入电压值，e表不APF输出电流值与可调模型 计算得到的电流值之间的偏差，y表示的是可调模型根据输入电压值u计算得到的电流值。 [0043]模型参考自适应参数辨识过程：当实际物理系统即参考模型在工作时，并同时输 入到可调模型中，可调模型根据输入量和提供的初始参数值计算得到可调模型的输出量。 将采集得到的参考模型的实际输出量与计算得到的可调模型输出量相比较得到输出量的 偏差，并将输出量偏差值与输入量一起输入到参数自适应调节模块。参数自适应调节模块 根据输入量和输出量的偏差值，并按照已设计的参数自适应律来不断地调节可调模型中的 待辨识参数值，使可调模型的输出值跟踪参考模型的输出值即两个模型的输出量偏差值趋 近于零，此时可调模型的参数收敛于与实际参考模型的真实参数，从而完成了整个参数辨 识过程。
[0044]自适应律的设计是整个系统的关键所在，自适应律的设计可以选用基于MIT规则 的局部参数优化理论的设计方法，用MIT法则来设计模型参考自适应系统是最早的一种设 计方法，但是该方法没有考虑到自适应系统的稳定性问题并且对于非线性时变系统很难验 证其稳定性。
[0045]自适应律的设计还可以选用基于李亚甫诺夫(Lyapunov)稳定性理论的设计方法。 基于李雅普诺夫稳定性理论的设计方法能够克服MIT规则所不能解决的系统稳定性问题， 能够保证整个自适应参数辨识系统全局渐近稳定。用稳定性理论能够成功地设计出模型参 考自适应系统，但是对于具体系统特别是非线性系统构造合适的李雅普诺夫函数是比较困 难的，而且一种李雅普诺夫函数只能推导出一种参数自适应律。
[0046] 本发明中选用波波夫超稳定理论来设计APF的电气参数的自适应律。在保证系统 稳定的前提下，能够结合实际系统比较灵活的设计参数自适应律。
[0047] 波波夫超稳定定理所研究的控制系统是由线性定常的前向回路G(s)和非线性时 变的反馈回路q>(v)组成的非线性反馈系统，其结构框图如图2所示。
[0048]设该波波夫非线性反馈系统的线性定常前向回路的方程如下式所示：
[0049] V == Ax + Bn ~ ,-f.v - Bw
[0050] y = Cx+Du = Cx~Dw
[00511其中(A，B)完全可控，（A，C)完全可观。
[0052]非线性反馈回路的方程为:w= 〇 (v)。
[0053] 一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统的辨识方法，包括以下步骤：
[0054] (1)确定有源电力滤波器电气参数在线辨识参考模型和可调模型，所述可调模型 为与参考模型相对应的具有相同的动态响应的数学模型；
[0055] (2)将有源电力滤波器在dq坐标系下的状态方程表示为矩阵形式，引入可调参数 ;，得到可调模型的状态空间方程；
[0056] (3)求取可调参数：的自适应律，根据所述可调参数'的自适应律，调整可调模型 的输出，使得参考模型和可调模型的输出量的偏差值为零。
[0057]具体实现方法如下：
[0058]首先将有源电力滤波器在dq坐标系下的状态方程写成矩阵的形式，如下所示：
[0061 ] 令在上式矩阵中：
[0063]所以可以简化式(2)为： (3)
[0065] 在上述方程中，假设电阻R是已知的，令
，m为未知参数电感L的倒数，当m求 出，亦可求解得到电感L。因此重新描述系数矩阵A、B、C为： -mR w 1 jy W 〇 「-衍仏..
[0066] A= B= n c= dc -w -mR U 麻 -mil, U -i , L. J L ac _s ;：
[0067]则式(3)被重新改写为：
^4)
[0069]可调模型的状态空间方程式由式(4)可以引入：
(5)
[0071]其中，$为电流状态矢量在可调模型中的输出^
可调模型中的可调参数为& ;
[0073]将式(5)的矩阵形式可以写为：
(6)
[0075] 式中， rnn7Al - -mR w. 1 %- m 〇 C \~mU^
[0076] J= 乜一 , €= A K A -w -mR 0 M - mU. \ 〇
[0077] 接下来就来推导参数^的自适应率：
[0078] 用式(3)减去式(6)并整理成一个标准波波夫非线性反馈系统，如式(7)所示：
⑵
[0080]在这里定义了广义状态误差e = ，那么上式可以写成：
[0082]式中， (8) ―r a 、 - R m-m 0
[0083] 2= , , 0 R m-m - V )丄; A a m-m u
[0084] AS = B - B ^ 八 0 m - m - 」； -(A V -Ude m - m
[0085] AC-C-C= . -Udcym-m t
[0086] 令.叫=-w = /+ASiH- AC，那么可得：
(9)
[0088] 要求由式(9)表示的非线性反馈系统如图3所示。按照超稳定性理论，等价的非线 性反馈回路满足波波夫积分不等式，而且等价线性定常前向回路为严格正实的。
[0089] 根据波波夫超稳定理论，当下列两个条件同时成立时，则上述系统是稳定的。
[0090] (1)非线性反馈回路要满足波波夫积分不等式；
[0091] (2)线性定常前向回路的传递函数矩阵H(s)是(严格)正实的。
[0092] H(s)的表达式如下式所示:H(S)=C(sI-A)-咕+D;
[0093] 现在根据使系统稳定的条件（1)来推导参数m的自适应律。首先将自适应率设计为 具有记忆性质的积分环节的PI调节器。
[0094] M = ￡./； (^)dt + ./； (t) + m(〇)
[0095] 上式中，m丨0'丨是参数m初始估计值
[0096] f i (t)，f2 (t)的形式的确定是推导参数的自适应律的关键。
[0097] 非线性反馈回路要满足下面积分不等式：
[0098] 7；(〇,) = ￡' wdi > (11)
[0099 ] 令V = [ VI V2 ] T，将V和W代入上式中可得： 7(0,^1) - [' I tn-m \{-Ri, V, - Riq + Jo \ J C0100] (12)
[0101]我们将代入上式中，可以得到： ￡ (一柯巧-科烏+% m 一％ Vi ~UU, ^ )( f f\ (0 ^ + /W (〇) _ m)il! +
[0102] ~ ；" (13) ^{-RL^-R^+U^+U^- U _U _4
[0103] 将上面不等式（13)分解成下面两个子不等式（14)和（15)，当下面这两个子不等式 同时成立时，不等式（13)成立。 ￡ (~R ~Riqv 2+ Udv f Uqv - UdcV
[0104] -^,.v〇(￡ ./； (t)dt + m(〇)-m)dt (14) ^-4 r ( - Vj -Ri v2 + -
[0105] 如 (15)
[0106] 下面介绍一个引理：
[0107] 对于不等式:，(0) +* 之-r02
[0108] 如果不等式中，iKt，T)=k(t-T)f(T)而k(t-〇是正定标量积分核，其拉普拉斯变 换在s=0处有一个极点的正实传递函数，那么上述不等式成立。
[0109] 根据引理可得，当： rm 1 〇1 = A' /： (~R id V| _ R V2 + + L0110」 (16)
[0111] h为大于〇的常数（由定义可得，正数为正定标量积分核），式(14)成立。
[0112] 当： /, (t) - kf {-Ri：l V! - Ri V； + UdVi 4-
[0113] '--V ； . / '丨-d 1 (17) uqv2 - uLk' -Uj'、
[0114] 为大于0的常数，积分不等式(15)可变为： f{.kiS-RKiv\-Riti v2+Udvi +
[0115] Jo ' （18) UqV2 ~UdcV\ ~^dcV2)" - ^
[0116] 式（15)成立。
[0117] 由此可得参数i的自适应律： (19)
[0119] 式（19)中入為_均为正数。
[0120] 根据以上可调模型和参数自适应律，可以得到有源电力滤波器自适应辨识的整体 构框图。
[0121] 为了验证本发明所提出的APF电气参数在线辨识算法的可行性，在MATLAB中搭建 仿真模型进行仿真验证。当电阻为不同数值时，分别对电感进行在线辨识，在仿真中，APF的 电气参数与实际中电气参数相一致，辨识结果见图4和图5。
[0122] 由上图可以看出，此在线辨识系统应用于有源电力滤波器中能有效的在线辨识跟 踪出现有参数的数值，这为其他的计算提供了更为精准的数值参数，使得APF中补偿电流的 计算更为准确。
[0123] 仿真结果充分地说明了该自适应参数辨识算法有够有效快速地精确辨识出APF的 电气参数。该方法能够很好地解决APF参数测量不准确和在运行过程中参数发生变化的问 题，为先进控制算法提供精确的APF参数值，并且该方法不需施加额外的测试信号，不影响 APF的正常运行，便于参数的在线实时辨识。
[0124] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1. 一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统，其特征是，包括:参考模型、可调模型 以及参数自适应调整模块； 所述参考模型和可调模型输入量相同，所述参考模型和可调模型的输出量的偏差值输 入参数自适应调整模块;所述参数自适应调整模块根据输入量以及输出偏差值，通过设计 自适应律调整调整可调模型的输出，使得参考模型和可调模型的输出量的偏差值为零。2. 如权利要求1所述的一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统，其特征是，所述参 考模型和可调模型的输入量相同且输出量为相同物理含义。3. 如权利要求1所述的一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统，其特征是，所述参 考模型为有源电力滤波器的结构模型，所述可调模型为有源电力滤波器在dq坐标系下的数 学模型。4. 一种权利要求所述的有源电力滤波器电气参数在线辨识系统的辨识方法，其特征 是，包括以下步骤： (1) 确定有源电力滤波器电气参数在线辨识参考模型和可调模型，所述可调模型为与 参考模型相对应的具有相同的动态响应的数学模型； (2) 将有源电力滤波器在dq坐标系下的状态方程表示为矩阵形式，引入可调参数《，得 到可调模型的状态空间方程； (3) 求取可调参数；的自适应律，根据所述可调参数&的自适应律，调整可调模型的输 出，使得参考模型和可调模型的输出量的偏差值为零。5. 如权利要求4所述的一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统的辨识方法，其特 征是，所述步骤（1)中，参考模型为有源电力滤波器的结构模型，所述可调模型为有源电力 滤波器在dq坐标系下的数学模型。6. 如权利要求4所述的一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统的辨识方法，其特 征是，所述步骤(2)中，可调模型的状态空间方程具体为：?为电流状态矢量在可调模型中的输出为可调参数，i为未 知参数电感矢量;R为电阻，W为角频率，Ud。为直流侧电压。7. 如权利要求4所述的一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统的辨识方法，其特 征是，所述步骤(3)中，求取可调参数^的自适应律的方法具体为： 根据将有源电力滤波器在dq坐标系下的状态方程以及可调模型的状态空间方程，得到 标准波波夫非线性反馈系统； 将标准波波夫非线性反馈系统分解为非线性反馈回路和线性定常前向回路； 按照超稳定性理论，假设非线性反馈回路满足波波夫积分不等式，且线性定常前向回 路为严格正实时，系统稳定； 将可调参数》?的自适应律设计为具有记忆性质的积分环节的PI调节器;根据系统稳定 的条件求取ΡΙ调节器的具体表示形式，得到参数"2的自适应律。8.如权利要求4所述的一种有源电力滤波器电气参数在线辨识系统的辨识方法，其特 征是，所述可调参数^；的自适应律具体为：其中，mio；)是参数m初始估计值，&、^均为正数，R为电阻，V1、"为2维输入矢量，Ud、Uq 分别为三相电压在dq轴分量，ζ、ζ分别为三相电流在dq轴分量，Udc为直流侧电压。
【文档编号】H03H21/00GK105958968SQ201610280053
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年4月28日
【发明人】程新功, 唐余龙, 李玮玮, 王晗, 王玉真, 于明珠, 殷文月
【申请人】济南大学