自適應控制在有源電力濾波器中的應用

顧雪晨

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室，上海 200011）

自適應控制在有源電力濾波器中的應用

顧雪晨

（海軍駐上海地區艦艇設計研究軍事代表室，上海 200011）

自適應控制在工程和科技領域得到了越來越多的應用，當系統存在參數、結構以及環境的不確定因素時，自適應控制提供相應的自適應調節機制，通過調整控制器參數來獲得期望的系統特性。本文在總結自適應控制的主要內容的基礎上，以有源電力濾波器為例，分析自適應控制原理、設計方法和應用機理。

不確定因素；自適應控制；自適應調節機制；有源電力濾波器

0 引言

在反饋控制以及最優控制中，一般都假定已知被控對象或過程的數學模型，并具有線性定常特性。常規的反饋控制系統一般是由控制器、被控對象和反饋控制回路構成，圖1給出了常規的反饋控制系統的原理圖，該系統有以下三個特點[1]：1）控制器固定，控制器的結構和參數在設計完善后，在整個控制過程中一般不再進行更改或變動；2）數學模型已知，在常規的反饋控制系統中，控制器參數的設計是基于已知被控對象的數學模型；3）有一定適應控制對象特性變化的能力，控制對象特性的變化發生在反饋控制回路中，負反饋控制系統對控制回路內部變化和擾動有一定抑制作用。所以，當被控對象特性在一定范圍內變化時，常規的反饋控制系統是具有一定的抑制能力。

圖1 常規的反饋控制系統原理框圖

盡管如此，許多實際工程里，被控對象或過程的數學模型實際上很難確定。即便在某一條件下確定了其數學模型，當運行工況或條件改變后，被控對象或過程的參數甚至模型結構都可能發生變化。對于任一動態系統，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）控制系統輸入的隨機擾動；2）控制系統的測量噪聲，以上兩種為環境不確定性；3）控制系統模型參數及結構不確定性。

出現這些問題時，使用常規的控制器往往很難得到良好的控制性能。因此，需設計一套特殊的控制系統，其能自動補償模型階次、輸入信號和參數等方面不可預知的變化。這種控制系統就是自適應控制系統。自適應控制器能修正控制對象特性和響應及擾動中的變化。

自適應控制系統一般由被控對象、控制器、自適應回路、自適應器以及反饋控制回路組成。圖2給出了自適應控制系統的原理框圖。與常規的反饋控制系統相比，其有以下三個顯著特點[1]：

1）控制器結構和參數可調。相對于常規控制系統中固定不變的控制器，自適應控制系統的控制器能在控制過程根據一定的自適應規則，自動改變結構和參數；

2）增加了自適應回路。自適應回路能根據系統的運行情況，自動調整控制器結構和參數，從而適應控制對象的特性變化；

3）適用被控對象的范圍廣泛。自適應控制系統可適用于被控對象特性未知或時變的情況，在設計過程中不需要完全明確被控對象的數學模型。

圖2 自適應控制系統的原理框圖

自適應控制系統在運行過程中需不斷測量系統的狀態、參數或性能，從而能“認識”或“掌握”被控系統當前的運行狀態，同時與期望的運行狀態比較，在此基礎上做出相應的對策來改變控制器的參數、結構或改變控制作用，保證系統能工作在某種意義下的最優或較優的狀態。當然，根據這些要求設計得到的自適應控制系統肯定遠比常規的控制系統復雜。隨著現代控制理論的蓬勃發展，諸如狀態空間分析法、最優控制、系統辨識、隨機控制以及穩定性理論等成果的出現，為自適應控制系統的形成和發展提供了堅實的基礎。同時，近年來微處理器技術的迅猛發展，為采用自適應控制創造了硬件基礎，使自適應控制系統能應用于許多實際工程項目中。

1 自適應控制分類和理論

自適應控制系統大致可分為兩種，一種是模型參考自適應控制系統（Model Reference Adaptive Control System，MRACS）；另一種是自校正控制系統（Self-Tuning Control System，STCS），這種控制系統的主要特點是能在線辨識被控對象的數學模型，從而修改控制器的參數或結構。

圖3給出了MRACS的原理框圖，其可看作是由兩個控制回路組成的：內回路由控制器和被控對象組成，構成閉環反饋回路；外回路則主要用于調整控制器的參數或結構。MRACS需要在控制系統內部設置參考模型，并要求控制系統在運行過程中的狀態響應特性與參考模型的響應特性相一致。在兩者出現偏差時，誤差信號將被輸入到參數自動調節系統中以改變控制器，或產生等效的附加控制，使兩者的誤差逐步變為零。

圖3 模型參考自適應控制系統的原理框圖

圖4給出了為STCS的原理框圖，STCS也可被看作是由兩個控制回路組成的：內回路為常規的閉環反饋控制回路；外回路則由參數估算器和控制器設計器等兩部分組成，負責調整控制器參數或結構，前者實現對被控對象參數的遞推估算，后者則根據前者的估算結果和一定的自適應規則對控制器進行在線設計。

圖4 自校正控制系統的原理框圖

自適應控制的理論問題主要包括三個方面，即穩定性、收斂性和魯棒性[2]。

1）穩定性。穩定性是控制系統的最基本要求，設計自適應控制系統必須以保證系統全局穩定為基本原則。自適應控制系統在本質上是一類非線性系統，其非線性特性對穩定性有相當的影響。

2）收斂性。參數遞推估計的收斂常常需要對系統的持續激勵，或者輸入信號的變化足夠。這些要求本身會對系統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。這種未建模的動態在一定的情況下可能會破壞自適應系統的正常工作，從而，需要研究對未建模的動態有較強不靈敏性的自適應控制策略，即自適應魯棒控制策略。

2 自適應控制在有源電力濾波器中的應用

2.1 有源電力濾波器的基本原理

電力電子設備被廣泛應用于工業生產的不同領域，極大地提高了用電設備的工作性能。但同時也使注入電網的電流含有豐富的諧波，并導致電網電壓發生畸變。另外，一些沖擊性負載會引起電網電壓閃變或出現不平衡現象，危害公用電網的電能質量。

為了保證供電質量，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）作為一種抑制并網諧波的有效工具，可對頻率和幅值實時變化的諧波進行在線跟蹤補償，且跟蹤補償特性不受電網阻抗波動的影響，具有很高的可控性和良好的動態響應性能[3]。

基于不同的并網方式，APF可細分為并聯型有源電力濾波器（Parallel Active Power Filter，PAPF）、串聯型有源電力濾波器（Series Active Power Filter，SAPF）和串并聯型有源電力濾波器三類。其中，后者又可被稱為統一電能質量調節器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC）。在眾多類型的APF裝置當中，PAPF是其中最基本也是最常用的一種，本文將以PAPF為例，介紹自適應控制在該領域的應用。

PAPF主要包括諧波電流檢測電路以及諧波電流發生電路，前者用于檢測出非線性負載的諧波電流分量，后者基于檢測結果產生相應的諧波電流分量，如圖5所示。

圖5 并聯型有源電力濾波器的系統結構

圖中，負載電流iL由基波分量iLf和諧波分量iLh兩部分構成。諧波電流檢測電路從iL中提取出相應的iLh并將其作為補償指令信號iC*。在電流跟蹤控制電路的作用下，PAPF輸出的補償電流iC與實際負載電流的諧波分量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，就實現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性能的關鍵因素之一。APF的性能在很大程度上取決于負載電流諧波電流檢測的準確性。因此，諧波電流檢測的研究具有十分重要的意義，在眾多的方法當中，自適應諧波電流檢測方法由于簡單、可靠以及適用性強，而受到越來越多的應用，下面將對此予以介紹。

2.2 自適應諧波電流檢測

1）基于自適應干擾對消原理的諧波電流檢測。利用自適應干擾對消原理，通過不停的自學習和自調整，可以使系統保持在最佳運行狀態。假設系統的參考輸入包括信號和噪聲兩個部分，自適應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，系統輸出僅僅包含參考輸入的信號部分。將其應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。

自適應濾波器（Adaptive Filter，AF）是該檢測方法的設計關鍵。文獻[4]提出了一種具體的設計方法，其本質上表現為一個帶阻濾波器。這種方法自適應能力強，不受電壓畸變或基頻擾動的影響，但由于自適應調整需要一定的時間，因此其檢測的實時性較差。

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

圖7 基于最小平方算法的自適應諧波電流檢測

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

其中，收斂系數η決定了收斂速度及估算的準確度，一般取值在0.01～1.0之間。收斂系數越大，權值的收斂速度越快，但同時估算的誤差也越大；收斂系數越小，估算結果越準確，但會導致收斂速度變慢。折衷起見，取收斂系數η=0.2。三相負載電流正序有功分量的權值可表示為：

與傳統的諧波電流檢測方法相比較，基于LMS算法的自適應諧波電流檢測具有簡單、可靠、時延小的優點。采用這種方法，只需將單位波形因數up和權值WP相乘即可得到指令電流；同時由于省去了傳統方法中的低通濾波器環節，因此延時很小。其不足之處在于，當電網電壓存在畸變時，很難得到表示電網電壓相位的單位正弦信號up，這也限制了該方法的應用場合。

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

圖8 基于自適應陷波器的諧波電流檢測

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

2.3 自適應電流跟蹤控制

在準確檢測出非線性負載中的諧波電流后，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響應速度以及很高的控制精度的同時，還需保證系統具有很好的穩定性。常見的控制方法主要有比例積分控制、滯環控制、無差拍控制、重復控制、自適應控制和智能控制等。下面將對自適應電流跟蹤控制予以介紹。

文獻[7]將模型參考自適應控制應用到PAPF系統中，相對于傳統的PI控制，模型參考自適應控制具有靈活性、適應性以及魯棒性的優點，并且能夠自我調節控制器增益以確保系統的穩定性。其控制框圖如圖9所示。

圖9 模型參考自適應系統的控制框圖

3 結論

針對被控對象可能存在參數、結構以及環境不確定性的系統，自適應控制通過引入自適應調節機制，在線調整控制器參數來獲得理想的控制特性。自適應控制的主要功能包含以下三個方面：1）在線進行被控對象參數和結構的辨識或系統性能要求的度量，從而確認系統當前狀態的變化信息；2）基于一定的自適應控制規律確定當前控制策略；3）在線修正控制器參數、結構，或可調的輸入信號。

作為抑制電力諧波、改善供電品質的一種有效手段，近年來有源電力濾波技術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償性能的關鍵因素。本文圍繞自適應控制在有源電力濾波器中的應用，主要完成了以下工作：1）介紹了自適應控制的發展背景、分類以及理論問題；2）以有源電力濾波器為例，介紹了自適應諧波電流檢測方法，主要包括基于自適應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諧波電流檢測以及基于自適應陷波器的諧波電流檢測，并對各種方法的優缺點做了簡要比較分析；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控制的設計方法，相對于傳統的PI控制，模型參考自適應控制具有靈活性、適應性以及魯棒性的優點，并且能夠自我調節控制器增益以確保系統的穩定性。

隨著控制理論的進一步成熟和發展，自適應控制的應用也必定越來越廣泛。與其說自適應控制是一種新的方法，倒不如說它是一種新的思想，不局限于傳統和常規，這才是科學研究應該具備的精神。

[1]楊承志,棣華孫,長勝張.系統辨識與自適應控制[M].重慶:重慶大學出版社,2003.

[2]韓曾晉.自適應控制[M].北京:清華大學出版社,1995.

[3]王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業出版社,1998.

[4]Shiguo Luo,Zhencheng Hou.An Adaptive Detecting Method for Harmonic and Reactive Currents[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,1995,42(1):85-89.

[5]Bhim Singh,Jitendra Solanki.An Implementation of an Adaptive Control Algorithm for a Three-Phase Shunt Active Filter[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56(8):2811-2820.

[6]Davood Yazdani,Alireza Bakhshai,Praveen K.Jain.A Three-Phase Adaptive Notch Filter-Based Approach to Harmonic/Reactive Current Extraction and Harmonic Decomposition[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(4):914-923.

[7]Kuo-Kai Shyu,Ming-Ji Yang,Yen-Mo Chen,Yi-Fei Lin.Model Reference Adaptive Control Design for a Shunt Active-Power-Filter System[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(1):97-106.

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，研究方向為艦船電氣自動化。