CN113472188B - 一种基于全通滤波器的lcl滤波器自适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于全通滤波器的LCL滤波器自适应方法，属于自适应控制技术领。在使用全通滤波器重塑系统相位以保持稳定的基础上，通过重新配置全通滤波器极点以激励系统谐振，采用间谐波算法检测谐振时的电流谐波频率，将该频率与不同电网阻抗下的系统0dB穿越频率进行匹配，即可以实现电网阻抗值的检测。在得到电网阻抗值后，通过再次配置全通滤波器极点的方式，可以使系统获得最大幅值裕度，保证了系统的稳定性运行。由于该自适应控制在检测出电网阻抗后通过重新配置全通滤波器极点的方式实现，并未使用额外的算法以增加系统的计算量。具有针对性强、成本低、效率高，能以较高的效率对使用LCL滤波器进行滤波的系统实现强鲁棒性控制。

Description

一种基于全通滤波器的LCL滤波器自适应方法

技术领域

本发明属于自适应控制技术领域，尤其涉及一种针对LCL滤波器的自适应控制方法。

背景技术

在电网阻抗大范围变化的情况下，对于采用LCL滤波器进行滤波的系统，如果采用参数固定的控制器，难以优化系统的控制性能指标，严重时会导致系统不稳定。为了保证系统稳定运行于电网阻抗大范围变化的工况下，需要针对电网阻抗的变化情况，采用自适应控制，为系统的稳定运行提供保障。

目前最常见的自适应控制方法主要分为两类，即确定自适应机构，以便获得使误差趋近于零的稳定系统，得到理想的控制对象输出的模型参考自适应控制。以及先估计控制对象的参数，再由其计算控制器参数，或直接由更新对象参数估计控制器参数的自校正控制。

对于模型参考自适应控制，其广泛采用的控制律属于局部参数最优化设计方法中的梯度法，因为算法简单而被广泛使用，但由梯度法设计的模型参考自适应控制系统，存在稳定性难以得到保证的缺点。对于自校正控制，其设计问题间接由具有明确表现形式的对象参数给出，对象参数估计方案中最常用的是递推最小二乘法。由于对象参数准确给出，易于找到潜在的问题，在理想条件下给出系统的特性，但是有着设计计算量较大的缺点。

发明内容

要解决的技术问题

为了克服目前现有的自适应控制技术的计算量较大、难以保证系统稳定性等缺点，本发明针对使用LCL滤波器进行滤波的系统，提供了一种自适应控制方法，可以有效地克服以上的缺点。

技术方案

一种LCL滤波器自适应控制方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用在不同电网阻抗下LCL滤波器系统级联全通滤波器的Bode图，得到不同阻抗下分别使系统幅值裕度最大的全通滤波器，通过配置该全通滤波器得到不同阻抗值下对应幅值裕度最大的全通滤波器，将其制成数据表；

步骤2：通过修改与系统级联的全通滤波器极点，改变系统整体相位穿越频率，使得系统相频-180°穿越频率处的幅值增益大于0dB，根据巴克豪森判据，此时系统会产生自激振荡，检测到对应此时0dB穿越频率的谐波；

步骤3：在配置全通滤波器的极点后，通过使用50Hz分辨率下的离散傅里叶变换DFT对网侧电流进行分析，可以得到各次谐波的幅值；若此时的最大的谐波幅值大于基波幅值的15％，即可认定系统发生自激振荡，将此时配置的全通滤波器极点认定为此时系统阻抗下对应的全通滤波器极点，如果未发生谐振，则继续配置全通滤波器，重复步骤3以激励系统谐振；

步骤4：对50Hz分辨率下的各次谐波幅值进行二次计算，得到高分辨率的谐波频率；

步骤5：重复步骤2～4，通过在不断改变对应电网阻抗的同时调整全通滤波器激励系统谐振，可以将谐振时的谐波频率及其对应的阻抗进行记录，得到在不同阻抗下经全通滤波器激励产生的谐振频率；将全通滤波器参数、系统阻抗和谐振频率三者制成一一对应的数据表；

步骤6：在实际系统中进行应用时首先通过步骤1至4获得谐振时的谐波频率，将该谐波频率与上述步骤5中的数据表进行匹配，得到此时的电网阻抗值；

步骤7：在获得电网阻抗值后，自动查阅步骤1的数据表可以得到该阻抗下提供最大幅值裕度的全通滤波器，给系统配置该全通滤波器即可保证系统拥有最大幅值裕度，实现自适应控制。

步骤4中二次计算如下：

式中：

——Δf_k是谐波频率偏移比例，其值乘以DFT的分辨率得到实际频率的偏移值；

——I_h[f_k+Δk]表示各谐波电流的幅值大小；

——设幅值最大谐波的频率为f_m，其左侧谐波频率为f₁，右侧谐波频率为f₂；当f₁的幅值小于f₂时，选取f_m作为计算基准值f_k，若f₁的幅值大于f₂，则选取f₁作为计算基准值f_k。

有益效果

本发明提供的一种基于全通滤波器的LCL滤波器自适应方法，在使用全通滤波器重塑系统相位以保持稳定的基础上，通过重新配置全通滤波器极点以激励系统谐振，采用间谐波算法检测谐振时的电流谐波频率，将该频率与不同电网阻抗下的系统0dB穿越频率进行匹配，即可以实现电网阻抗值的检测。在得到电网阻抗值后，通过再次配置全通滤波器极点的方式，可以使系统获得最大幅值裕度，保证了系统的稳定性运行。由于该自适应控制在检测出电网阻抗后通过重新配置全通滤波器极点的方式实现，并未使用额外的算法以增加系统的计算量。具有针对性强、成本低、效率高，能以较高的效率对使用LCL滤波器进行滤波的系统实现强鲁棒性控制。

本发明可以在不额外添加算法的前提下实现对系统的自适应控制，降低了整体成本和系统复杂度，且能保证系统控制的鲁棒性。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的方法基本流程示意图。

图2为本发明的电路及控制结构图。

图3为启动自适应控制时网侧电流的变化瞬间。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

一种LCL滤波器自适应控制技术，包括步骤：

步骤1.通过给LCL滤波器系统级联全通滤波器，利用其能够重塑系统相位的特点可以给予系统最大幅值裕度保持其稳定。利用在不同电网阻抗下系统级联全通滤波器的Bode图，可以得到不同阻抗下分别使系统幅值裕度最大的全通滤波器，通过配置该全通滤波器可以给与系统最大的幅值裕度以保证系统的稳定性。可以得到不同阻抗值下对应幅值裕度最大的全通滤波器，将其制成数据表。

步骤2.通过修改与系统级联的全通滤波器极点，可以改变系统整体相位穿越频率，使得系统相频-180°穿越频率处的幅值增益大于0dB，根据巴克豪森(Barkhausen)判据，此时系统会产生自激振荡，可以检测到对应此时0dB穿越频率的谐波。

步骤3.在配置全通滤波器的极点后，通过使用50Hz分辨率下的离散傅里叶变换(DFT)对网侧电流进行分析，可以得到各次谐波的幅值。若此时的最大的谐波幅值大于基波幅值的15％，即可认定系统发生自激振荡，将此时配置的全通滤波器极点认定为此时系统阻抗下对应的全通滤波器极点，如果未发生谐振，则继续配置全通滤波器，重复步骤3以激励系统谐振。

步骤4.为了在减少计算量的情况下得到频率分辨率较高的谐波频率，在系统发生谐振后，使用公式(1-1)对50Hz分辨率下的各次谐波幅值进行二次计算，可以得到高分辨率的谐波频率。

式中：

——Δf_k是谐波频率偏移比例，其值乘以DFT的分辨率得到实际频率的偏移值；

——I_h[f_k+Δk]表示各谐波电流的幅值大小。

——设幅值最大谐波的频率为f_m，其左侧谐波频率为f₁，右侧谐波频率为f₂。当f₁的幅值小于f₂时，选取f_m作为计算基准值f_k，若f₁的幅值大于f₂，则选取f₁作为计算基准值f_k。

步骤5.重复步骤2至4，通过在不断改变对应电网阻抗的同时调整全通滤波器激励系统谐振，可以将谐振时的谐波频率及其对应的阻抗进行记录，得到在不同阻抗下经全通滤波器激励产生的谐振频率。将全通滤波器参数、系统阻抗和谐振频率三者制成一一对应的数据表。

步骤6.在实际系统中进行应用时首先通过步骤1至4获得谐振时的谐波频率，将该谐波频率与上述步骤5中的数据表进行匹配，可以得到此时的电网阻抗值。

步骤7.在获得电网阻抗值后，使用相关程序自动查阅步骤一的数据表可以得到该阻抗下提供最大幅值裕度的全通滤波器，给系统配置该全通滤波器即可保证系统拥有最大幅值裕度，实现自适应控制。

步骤1中，通过绘制系统传递函数Bode图，可以得到各阻抗值以及对应幅值裕度最大的全通滤波器数据表。

步骤2中，通过配置全通滤波器极点以实现相位穿越点趋近幅值大于0dB频率。根据巴克豪森稳定性判据，当相位穿越频率处对应的幅值大于0dB时，通过负反馈的作用，系统会变成一个稳定的振荡电路。可以检测到该穿越频率的谐波。

步骤3中，基于步骤2中对全通滤波器极点进行配置，为了判断系统是否产生谐振，需要对其进行谐波分析，使用50Hz分辨率下的DFT对网侧电流进行谐波分析，将最大谐波幅值与基波幅值进行比较，若最大谐波幅值超过基波幅值的15％，即可以判断系统发生谐振。发生谐振的情况下停止对全通滤波器极点的重新配置，未发生谐振则重复步骤3，对全通滤波器进行配置。

步骤5中，根据步骤4所得到的电网阻抗值，通过重新配置全通滤波器极点的方式，将此时的系统相位-180°穿越点移至对应该阻抗值下具有最大幅值裕度的频率处，以此保证系统获得最大幅值裕度。

该方法对采用LCL进行滤波的PWM整流器、PWM并网逆变器均适用。

本实施例的基于LCL滤波器阻尼的电网阻抗技术的基本流程示意图如附图1所示，包括以下步骤：

步骤1，实验测量系统运行过程中的电网电压、电网侧电流、直流负载电压等数据；

附图2为实施例中的电路及控制结构图，通过采样电路采集运行过程中的电网电压、电网侧电流、直流负载电压作为反馈量，与给定数值做差后经PI、PR控制器进行双环控制，最终计算结果经全通滤波器级联后进行输出，通过全通滤波器重塑系统开环相位以保证稳定性。

步骤2，为了对系统谐振状态进行判断，对电网侧电流进行频率分辨率为50Hz的DFT分析，以此时最大谐波幅值与基波幅值之比作为判断电路是否发生谐振的标准。

步骤3，若未发生谐振，则经过自动切换程序，重新配置全通滤波器极点以实现对系统0dB穿越频率的趋近，在重新配置全通滤波器极点令其-180°相位穿越频率降低后，经步骤2进行谐振状态的判断，重复2、3过程，直至判断系统进入谐振状态为止。

步骤4，经配置合适的全通滤波器后，成功激励系统谐振，此时系统从稳定状态进入谐振状态，且经谐振产生的谐波频率与电网阻抗大小直接相关。使用间谐波算法对电网侧电流经DFT得到的各次谐波幅值进行二次计算，可以得到精确的谐波频率，将该频率数值与电网阻抗进行匹配，即可得到此时的电网阻抗大小，实现对电网阻抗的检测。

步骤5，实现对电网阻抗的检测之后，启用LCL滤波器的自适应控制，根据步骤4中得到的电网阻抗数值，配置对应的全通滤波器以保证系统获得最大幅值裕度。自适应控制启用瞬间如图3所示，通过自适应控制配置幅值裕度最大的全通滤波器后，系统结束谐振状态，稳定运行。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于全通滤波器的LCL滤波器自适应方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用在不同电网阻抗下LCL滤波器系统级联全通滤波器的Bode图，得到不同阻抗下分别使系统幅值裕度最大的全通滤波器，通过配置该全通滤波器得到不同阻抗值下对应幅值裕度最大的全通滤波器，将其制成数据表；

步骤2：通过修改与系统级联的全通滤波器极点，改变系统整体相位穿越频率，使得系统相频-180°穿越频率处的幅值增益大于0dB，根据巴克豪森判据，此时系统会产生自激振荡，检测到对应此时0dB穿越频率的谐波；

步骤3：在配置全通滤波器的极点后，通过使用50Hz分辨率下的离散傅里叶变换DFT对网侧电流进行分析，可以得到各次谐波的幅值；若此时的最大的谐波幅值大于基波幅值的15％，即可认定系统发生自激振荡，将此时配置的全通滤波器极点认定为此时系统阻抗下对应的全通滤波器极点，如果未发生谐振，则继续配置全通滤波器，重复步骤3以激励系统谐振；

步骤4：对50Hz分辨率下的各次谐波幅值进行二次计算，得到高分辨率的谐波频率；

步骤5：重复步骤2～4，通过在不断改变对应电网阻抗的同时调整全通滤波器激励系统谐振，可以将谐振时的谐波频率及其对应的阻抗进行记录，得到在不同阻抗下经全通滤波器激励产生的谐振频率；将全通滤波器参数、系统阻抗和谐振频率三者制成一一对应的数据表；

步骤6：在实际系统中进行应用时首先通过步骤1至4获得谐振时的谐波频率，将该谐波频率与上述步骤5中的数据表进行匹配，得到此时的电网阻抗值；

步骤7：在获得电网阻抗值后，自动查阅步骤1的数据表可以得到该阻抗下提供最大幅值裕度的全通滤波器，给系统配置该全通滤波器即可保证系统拥有最大幅值裕度，实现自适应控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于全通滤波器的LCL滤波器自适应方法，其特征在于步骤4中二次计算如下：

式中：

——Δf_k是谐波频率偏移比例，其值乘以DFT的分辨率得到实际频率的偏移值；

——I_h[f_k+Δk]表示各谐波电流的幅值大小；

——设幅值最大谐波的频率为f_m，其左侧谐波频率为f₁，右侧谐波频率为f₂；当f₁的幅值小于f₂时，选取f_m作为计算基准值f_k，若f₁的幅值大于f₂，则选取f₁作为计算基准值f_k。