顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，上海 200011）

自適應(yīng)控制在有源電力濾波器中的應(yīng)用

顧雪晨

（海軍駐上海地區(qū)艦艇設(shè)計(jì)研究軍事代表室，上海 200011）

自適應(yīng)控制在工程和科技領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用，當(dāng)系統(tǒng)存在參數(shù)、結(jié)構(gòu)以及環(huán)境的不確定因素時(shí)，自適應(yīng)控制提供相應(yīng)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，通過調(diào)整控制器參數(shù)來獲得期望的系統(tǒng)特性。本文在總結(jié)自適應(yīng)控制的主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上，以有源電力濾波器為例，分析自適應(yīng)控制原理、設(shè)計(jì)方法和應(yīng)用機(jī)理。

不確定因素；自適應(yīng)控制；自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制；有源電力濾波器

0 引言

在反饋控制以及最優(yōu)控制中，一般都假定已知被控對象或過程的數(shù)學(xué)模型，并具有線性定常特性。常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)一般是由控制器、被控對象和反饋控制回路構(gòu)成，圖1給出了常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)的原理圖，該系統(tǒng)有以下三個(gè)特點(diǎn)[1]：1）控制器固定，控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在設(shè)計(jì)完善后，在整個(gè)控制過程中一般不再進(jìn)行更改或變動；2）數(shù)學(xué)模型已知，在常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)中，控制器參數(shù)的設(shè)計(jì)是基于已知被控對象的數(shù)學(xué)模型；3）有一定適應(yīng)控制對象特性變化的能力，控制對象特性的變化發(fā)生在反饋控制回路中，負(fù)反饋控制系統(tǒng)對控制回路內(nèi)部變化和擾動有一定抑制作用。所以，當(dāng)被控對象特性在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)是具有一定的抑制能力。

圖1 常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)原理框圖

盡管如此，許多實(shí)際工程里，被控對象或過程的數(shù)學(xué)模型實(shí)際上很難確定。即便在某一條件下確定了其數(shù)學(xué)模型，當(dāng)運(yùn)行工況或條件改變后，被控對象或過程的參數(shù)甚至模型結(jié)構(gòu)都可能發(fā)生變化。對于任一動態(tài)系統(tǒng)，一般都具有不同程度的不確定性，這些不確定性主要包括以下幾種可能：1）控制系統(tǒng)輸入的隨機(jī)擾動；2）控制系統(tǒng)的測量噪聲，以上兩種為環(huán)境不確定性；3）控制系統(tǒng)模型參數(shù)及結(jié)構(gòu)不確定性。

出現(xiàn)這些問題時(shí)，使用常規(guī)的控制器往往很難得到良好的控制性能。因此，需設(shè)計(jì)一套特殊的控制系統(tǒng)，其能自動補(bǔ)償模型階次、輸入信號和參數(shù)等方面不可預(yù)知的變化。這種控制系統(tǒng)就是自適應(yīng)控制系統(tǒng)。自適應(yīng)控制器能修正控制對象特性和響應(yīng)及擾動中的變化。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)一般由被控對象、控制器、自適應(yīng)回路、自適應(yīng)器以及反饋控制回路組成。圖2給出了自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理框圖。與常規(guī)的反饋控制系統(tǒng)相比，其有以下三個(gè)顯著特點(diǎn)[1]：

1）控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)可調(diào)。相對于常規(guī)控制系統(tǒng)中固定不變的控制器，自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制器能在控制過程根據(jù)一定的自適應(yīng)規(guī)則，自動改變結(jié)構(gòu)和參數(shù)；

2）增加了自適應(yīng)回路。自適應(yīng)回路能根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，自動調(diào)整控制器結(jié)構(gòu)和參數(shù)，從而適應(yīng)控制對象的特性變化；

3）適用被控對象的范圍廣泛。自適應(yīng)控制系統(tǒng)可適用于被控對象特性未知或時(shí)變的情況，在設(shè)計(jì)過程中不需要完全明確被控對象的數(shù)學(xué)模型。

圖2 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理框圖

自適應(yīng)控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需不斷測量系統(tǒng)的狀態(tài)、參數(shù)或性能，從而能“認(rèn)識”或“掌握”被控系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)與期望的運(yùn)行狀態(tài)比較，在此基礎(chǔ)上做出相應(yīng)的對策來改變控制器的參數(shù)、結(jié)構(gòu)或改變控制作用，保證系統(tǒng)能工作在某種意義下的最優(yōu)或較優(yōu)的狀態(tài)。當(dāng)然，根據(jù)這些要求設(shè)計(jì)得到的自適應(yīng)控制系統(tǒng)肯定遠(yuǎn)比常規(guī)的控制系統(tǒng)復(fù)雜。隨著現(xiàn)代控制理論的蓬勃發(fā)展，諸如狀態(tài)空間分析法、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識、隨機(jī)控制以及穩(wěn)定性理論等成果的出現(xiàn)，為自適應(yīng)控制系統(tǒng)的形成和發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，近年來微處理器技術(shù)的迅猛發(fā)展，為采用自適應(yīng)控制創(chuàng)造了硬件基礎(chǔ)，使自適應(yīng)控制系統(tǒng)能應(yīng)用于許多實(shí)際工程項(xiàng)目中。

1 自適應(yīng)控制分類和理論

自適應(yīng)控制系統(tǒng)大致可分為兩種，一種是模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)（Model Reference Adaptive Control System，MRACS）；另一種是自校正控制系統(tǒng)（Self-Tuning Control System，STCS），這種控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是能在線辨識被控對象的數(shù)學(xué)模型，從而修改控制器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)。

圖3給出了MRACS的原理框圖，其可看作是由兩個(gè)控制回路組成的：內(nèi)回路由控制器和被控對象組成，構(gòu)成閉環(huán)反饋回路；外回路則主要用于調(diào)整控制器的參數(shù)或結(jié)構(gòu)。MRACS需要在控制系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置參考模型，并要求控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的狀態(tài)響應(yīng)特性與參考模型的響應(yīng)特性相一致。在兩者出現(xiàn)偏差時(shí)，誤差信號將被輸入到參數(shù)自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中以改變控制器，或產(chǎn)生等效的附加控制，使兩者的誤差逐步變?yōu)榱恪?/p>

圖3 模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理框圖

圖4給出了為STCS的原理框圖，STCS也可被看作是由兩個(gè)控制回路組成的：內(nèi)回路為常規(guī)的閉環(huán)反饋控制回路；外回路則由參數(shù)估算器和控制器設(shè)計(jì)器等兩部分組成，負(fù)責(zé)調(diào)整控制器參數(shù)或結(jié)構(gòu)，前者實(shí)現(xiàn)對被控對象參數(shù)的遞推估算，后者則根據(jù)前者的估算結(jié)果和一定的自適應(yīng)規(guī)則對控制器進(jìn)行在線設(shè)計(jì)。

圖4 自校正控制系統(tǒng)的原理框圖

自適應(yīng)控制的理論問題主要包括三個(gè)方面，即穩(wěn)定性、收斂性和魯棒性[2]。

1）穩(wěn)定性。穩(wěn)定性是控制系統(tǒng)的最基本要求，設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制系統(tǒng)必須以保證系統(tǒng)全局穩(wěn)定為基本原則。自適應(yīng)控制系統(tǒng)在本質(zhì)上是一類非線性系統(tǒng)，其非線性特性對穩(wěn)定性有相當(dāng)?shù)挠绊憽?/p>

2）收斂性。參數(shù)遞推估計(jì)的收斂常常需要對系統(tǒng)的持續(xù)激勵，或者輸入信號的變化足夠。這些要求本身會對系統(tǒng)的控制性能造成一定的影響，因此，需要研究如何折中兩者之間的矛盾。

3）魯棒性。在自適應(yīng)控制中，模型總是被控對象的一種近似，被控對象中包含了未建模的動態(tài)。這種未建模的動態(tài)在一定的情況下可能會破壞自適應(yīng)系統(tǒng)的正常工作，從而，需要研究對未建模的動態(tài)有較強(qiáng)不靈敏性的自適應(yīng)控制策略，即自適應(yīng)魯棒控制策略。

2 自適應(yīng)控制在有源電力濾波器中的應(yīng)用

2.1 有源電力濾波器的基本原理

電力電子設(shè)備被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的不同領(lǐng)域，極大地提高了用電設(shè)備的工作性能。但同時(shí)也使注入電網(wǎng)的電流含有豐富的諧波，并導(dǎo)致電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變。另外，一些沖擊性負(fù)載會引起電網(wǎng)電壓閃變或出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，危害公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。

為了保證供電質(zhì)量，必須采取有效的措施抑制諧波的危害。有源電力濾波器（Active Power Filer，APF）作為一種抑制并網(wǎng)諧波的有效工具，可對頻率和幅值實(shí)時(shí)變化的諧波進(jìn)行在線跟蹤補(bǔ)償，且跟蹤補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗波動的影響，具有很高的可控性和良好的動態(tài)響應(yīng)性能[3]。

基于不同的并網(wǎng)方式，APF可細(xì)分為并聯(lián)型有源電力濾波器（Parallel Active Power Filter，PAPF）、串聯(lián)型有源電力濾波器（Series Active Power Filter，SAPF）和串并聯(lián)型有源電力濾波器三類。其中，后者又可被稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）。在眾多類型的APF裝置當(dāng)中，PAPF是其中最基本也是最常用的一種，本文將以PAPF為例，介紹自適應(yīng)控制在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

PAPF主要包括諧波電流檢測電路以及諧波電流發(fā)生電路，前者用于檢測出非線性負(fù)載的諧波電流分量，后者基于檢測結(jié)果產(chǎn)生相應(yīng)的諧波電流分量，如圖5所示。

圖5 并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖中，負(fù)載電流iL由基波分量iLf和諧波分量iLh兩部分構(gòu)成。諧波電流檢測電路從iL中提取出相應(yīng)的iLh并將其作為補(bǔ)償指令信號iC*。在電流跟蹤控制電路的作用下，PAPF輸出的補(bǔ)償電流iC與實(shí)際負(fù)載電流的諧波分量iLh基本一致，則電源電流iS中將只含有基波電流iLf，不存在諧波分量。這樣，就實(shí)現(xiàn)了濾除電源電流諧波的目的。

由上述分析不難看出，諧波檢測電路是決定APF性能的關(guān)鍵因素之一。APF的性能在很大程度上取決于負(fù)載電流諧波電流檢測的準(zhǔn)確性。因此，諧波電流檢測的研究具有十分重要的意義，在眾多的方法當(dāng)中，自適應(yīng)諧波電流檢測方法由于簡單、可靠以及適用性強(qiáng)，而受到越來越多的應(yīng)用，下面將對此予以介紹。

2.2 自適應(yīng)諧波電流檢測

1）基于自適應(yīng)干擾對消原理的諧波電流檢測。利用自適應(yīng)干擾對消原理，通過不停的自學(xué)習(xí)和自調(diào)整，可以使系統(tǒng)保持在最佳運(yùn)行狀態(tài)。假設(shè)系統(tǒng)的參考輸入包括信號和噪聲兩個(gè)部分，自適應(yīng)干擾對消的理想情況是，原始輸入和參考輸入中的噪聲完全抵消，系統(tǒng)輸出僅僅包含參考輸入的信號部分。將其應(yīng)用到諧波電流檢測中，視被檢測電流的基波分量為參考輸入的噪聲部分，諧波分量為參考輸入的信號部分，消去被檢測電流的基波分量，從而得到所需的諧波分量，其原理如圖6所示。

自適應(yīng)濾波器（Adaptive Filter，AF）是該檢測方法的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。文獻(xiàn)[4]提出了一種具體的設(shè)計(jì)方法，其本質(zhì)上表現(xiàn)為一個(gè)帶阻濾波器。這種方法自適應(yīng)能力強(qiáng)，不受電壓畸變或基頻擾動的影響，但由于自適應(yīng)調(diào)整需要一定的時(shí)間，因此其檢測的實(shí)時(shí)性較差。

2）基于最小平方算法的自適應(yīng)諧波電流檢測。最小平方算法（Least Mean Square，LMS）是一種常用的自適應(yīng)參數(shù)預(yù)估方法，文獻(xiàn)[5]采用該方法進(jìn)行諧波電流檢測，其原理如圖7所示。

圖7 基于最小平方算法的自適應(yīng)諧波電流檢測

圖中，負(fù)載電流中的有功分量由單位波形因數(shù)up和權(quán)值WP相乘得到，其中up是表示電網(wǎng)電壓相位的單位正弦信號，權(quán)值WP則采用LMS算法估算得到，其大小隨負(fù)載電流的變化而變化，估算方法如下：

其中，收斂系數(shù)η決定了收斂速度及估算的準(zhǔn)確度，一般取值在0.01～1.0之間。收斂系數(shù)越大，權(quán)值的收斂速度越快，但同時(shí)估算的誤差也越大；收斂系數(shù)越小，估算結(jié)果越準(zhǔn)確，但會導(dǎo)致收斂速度變慢。折衷起見，取收斂系數(shù)η=0.2。三相負(fù)載電流正序有功分量的權(quán)值可表示為：

與傳統(tǒng)的諧波電流檢測方法相比較，基于LMS算法的自適應(yīng)諧波電流檢測具有簡單、可靠、時(shí)延小的優(yōu)點(diǎn)。采用這種方法，只需將單位波形因數(shù)up和權(quán)值WP相乘即可得到指令電流；同時(shí)由于省去了傳統(tǒng)方法中的低通濾波器環(huán)節(jié)，因此延時(shí)很小。其不足之處在于，當(dāng)電網(wǎng)電壓存在畸變時(shí)，很難得到表示電網(wǎng)電壓相位的單位正弦信號up，這也限制了該方法的應(yīng)用場合。

3）基于自適應(yīng)陷波器的諧波電流檢測。在無需鎖相環(huán)的情況下，自適應(yīng)陷波器（Adaptive Notch Filter，ANF）可以檢測出負(fù)載電流中的諧波和無功分量，且能對各次諧波進(jìn)行分別檢測，從而可以應(yīng)用到特定次數(shù)諧波消除的場合。文獻(xiàn)[6]采用該方法進(jìn)行諧波電流檢測，其原理如圖8所示。

圖8 基于自適應(yīng)陷波器的諧波電流檢測

該方法主要由以下兩部分組成：一是用于檢測負(fù)載電流基波分量的主ANF；二是用于檢測負(fù)載電流諧波分量的從ANF。其中，主ANF只有一個(gè)，而從ANF的個(gè)數(shù)則由需要檢測的諧波次數(shù)決定，主ANF為從ANF提供基頻信息。

2.3 自適應(yīng)電流跟蹤控制

在準(zhǔn)確檢測出非線性負(fù)載中的諧波電流后，需要以此為指令，控制APF輸出電流能很好地跟蹤諧波電流的變化。然而諧波電流的變化率很高，APF電流控制器在必須具有很快的動態(tài)響應(yīng)速度以及很高的控制精度的同時(shí)，還需保證系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。常見的控制方法主要有比例積分控制、滯環(huán)控制、無差拍控制、重復(fù)控制、自適應(yīng)控制和智能控制等。下面將對自適應(yīng)電流跟蹤控制予以介紹。

文獻(xiàn)[7]將模型參考自適應(yīng)控制應(yīng)用到PAPF系統(tǒng)中，相對于傳統(tǒng)的PI控制，模型參考自適應(yīng)控制具有靈活性、適應(yīng)性以及魯棒性的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠自我調(diào)節(jié)控制器增益以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其控制框圖如圖9所示。

圖9 模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)的控制框圖

3 結(jié)論

針對被控對象可能存在參數(shù)、結(jié)構(gòu)以及環(huán)境不確定性的系統(tǒng)，自適應(yīng)控制通過引入自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)制，在線調(diào)整控制器參數(shù)來獲得理想的控制特性。自適應(yīng)控制的主要功能包含以下三個(gè)方面：1）在線進(jìn)行被控對象參數(shù)和結(jié)構(gòu)的辨識或系統(tǒng)性能要求的度量，從而確認(rèn)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的變化信息；2）基于一定的自適應(yīng)控制規(guī)律確定當(dāng)前控制策略；3）在線修正控制器參數(shù)、結(jié)構(gòu)，或可調(diào)的輸入信號。

作為抑制電力諧波、改善供電品質(zhì)的一種有效手段，近年來有源電力濾波技術(shù)得到了世界各國的廣泛重視。諧波電流檢測與電流跟蹤控制是決定有源電力濾波器補(bǔ)償性能的關(guān)鍵因素。本文圍繞自適應(yīng)控制在有源電力濾波器中的應(yīng)用，主要完成了以下工作：1）介紹了自適應(yīng)控制的發(fā)展背景、分類以及理論問題；2）以有源電力濾波器為例，介紹了自適應(yīng)諧波電流檢測方法，主要包括基于自適應(yīng)干擾對消原理的諧波電流檢測、基于最小平方算法的自適應(yīng)諧波電流檢測以及基于自適應(yīng)陷波器的諧波電流檢測，并對各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)做了簡要比較分析；3）針對有源電力濾波器的指令電流跟蹤控制，介紹了模型參考自適應(yīng)控制的設(shè)計(jì)方法，相對于傳統(tǒng)的PI控制，模型參考自適應(yīng)控制具有靈活性、適應(yīng)性以及魯棒性的優(yōu)點(diǎn)，并且能夠自我調(diào)節(jié)控制器增益以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

隨著控制理論的進(jìn)一步成熟和發(fā)展，自適應(yīng)控制的應(yīng)用也必定越來越廣泛。與其說自適應(yīng)控制是一種新的方法，倒不如說它是一種新的思想，不局限于傳統(tǒng)和常規(guī)，這才是科學(xué)研究應(yīng)該具備的精神。

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Application of Self-adaptive Control in Active Power Filter

GU Xue-chen
(Military Representative Office for Design of Naval Vessel in Shanghai,Shanghai 200011,China)

Self-adaptive control is widely applied in engineering and technology.When uncertain factors such as parameters,structure and operating environment exist,self-adaptive regulating mechanism will be provided correspondingly,and the control parameters can be adjusted automatically.Thus,expected systematic characteristic is obtained.In this paper,the fundamentals of self-adaptive control are concluded with its principle,design method and applying mechanism by taking active power filter as an example.

self-adaptive control; uncertain factors; self-adaptive regulating mechanism; active power filter

TM6

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.05.001

顧雪晨（1981-），男，工程師，研究方向?yàn)榕灤姎庾詣踊?/p>