一种基于模拟退火算法的阻抗模型辨识方法

技术领域

本发明属于阻抗模型技术领域；尤其涉及一种基于模拟退火算法的阻抗模型辨识方法。

背景技术

近年来，新能源发电系统装机容量不断攀升，高压直流、无功补偿等高比例电力电子装置主导的弱同步电网系统是我国新能源发电基地电网的主要特征。随着新一代电力电子全控装置的广泛应用，也带了一系列并网稳定性问题。基于并网稳定性问题伦斯勒理工学院的Sun Jian教授提出了基于多谐波线性化阻抗建模方法配合Nyquist判据，为系统稳定性分析提供了分析基础。

然而，由于工作点、温度、设备老化等因素的影响，滤波器电感电容参数会发生改变；由于结构参数保密，电力电子装置的控制参数也通常难以获得。这些参数未知的情况对于电力电子装置并网稳定性分析是非常不利的。因此，亟需寻求一种对结构已知的电力电子变换器阻抗进行实时辨识的方法，从而获取电力电子装置完整的序阻抗模型。

为了保障新能源发电系统安全可靠运行，已有一系列文献对阻抗辨识方法进行了研究。文献1“W.Zhou,Y.Wang and Z.Chen,"A Gray-Box Parameters IdentificationMethod of Voltage Source Converter Using Vector Fitting Algorithm”，采用矢量拟合算法对逆变器功率参数和控制参数进行辨识，将理论传递函数曲线与拟合得到的曲线对比验证了算法的有效性，但是矢量拟合算法只能针对特定形式的传递函数，对于分子阶数较高的传递函数没有普适性。

文献2“王哲,吕敬,吴林林,王潇,宗皓翔,蔡旭.基于Vector Fitting的光伏并网逆变器控制器参数频域辨识方法[J].电力自动化设备,2022,42(05):118-124.”采用矢量拟合算法辨识了并网逆变器的控制参数，但其对功率参数的辨识还有待深入。

文献3“陈平.基于参数敏感性分析的并网逆变器锁相环参数辨识方法研究[D].导师：李飞；张虎.合肥工业大学,2022.”，研究了多种智能辨识算法，并最后采用粒子群算法对锁相环参数进行了辨识，同样无法做到同时辨识功率参数与控制参数。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于模拟退火算法的阻抗模型辨识方法，以解决现有技术对电力电子装置阻抗进行实时辨识无法做到同时辨识功率参数与控制参数等技术问题。

本发明的技术方案是：

一种基于模拟退火算法的阻抗模型辨识方法，所述方法包括：

根据多谐波线性化的方法对含有未知参数的三相并网逆变器序阻抗模型进行了构建，得到三相并网逆变器的正、负序阻抗模型；基于模拟退火算法的参数辨识方法通过比较一个以上扫频点的阻抗与当前解的阻抗误差的均方根作为误差函数，以模拟退火算法寻找最优值，取最优值对应解作为参数辨识的结果。

三相并网逆变器的正、负序阻抗模型的建立方法包括：基于并网逆变器主电路及控制框图建立并网逆变器三相桥臂中点电压、三相并网电压和三相并网电流之间的关系：

其中u

由此得到的三相并网逆变器正序输出阻抗传递函数为：

式中K

其中K

所述参数辨识包括：功率参数辨识和控制参数辨识；所述功率参数辨识包括:在将控制回路断开后，在公共耦合点PCC注入三相对称的正序扰动，检测端口的频率响应，得到该频率下的阻抗；选取一个以上频率点得到的扫频数据送入退火算法的程序，并采用模拟退火算法对功率参数进行辨识，选取频率下当前组合解的阻抗值与扫频得到的阻抗值误差的均方根最小时，记录该组数据，作为已知的功率参数；

控制参数辨识包括：连接控制回路后，在公共耦合点注入三相对称的正序扰动，检测端口的频率响应，得到该频率下的阻抗；前辨识出的功率参数带入到理论模型中，选取一个以上频率点得到的扫频数据送入模拟退火算法的程序，并采用模拟退火算法对控制参数进行辨识，选取频率下当前组合解的阻抗值与扫频得到的阻抗值误差的均方根最小时，记录该组数据，辨识过程完成。

基于模拟退火算法的参数辨识方法是通过比较一个以上扫频点的阻抗与当前解的阻抗误差的均方根作为误差函数，以模拟退火算法寻找最优值，取最优值对应解作为参数辨识的结果。

基于模拟退火算法的参数辨识方法包括：

步骤1、按照电压压降与电流纹波要求确定滤波器L

步骤2、在可行域范围中随机生成一组解x，并计算当前函数值作为初始计算的误差值f(x)；

步骤3、选取一组冷却进度表控制参数，这组参数将决定模拟退火算法的基本性能和收敛进程，具体包含：退火的初始温度T

步骤4、按照冷却进度表对当前解作x扰动，生成新解x

步骤5、据Metropolis准则判断是否接受新解x

步骤6、判断当前温度下的迭代次数是否达到N次，或者当前温度下是否已经达到最优解；若二者满足其一则对当前温度按照T＝αT

步骤7、判断当前温度T是否小于等于终止温度T

扫频点的数量为6组不同频率下的阻抗。

基于模拟退火算法的参数辨识方法还包括：

步骤8、将所得到的功率参数送入到控制参数辨识程序，按照带宽与相角裕度要求确定电流环K

步骤9、按照新的可行域与冷却进度表控制参数对控制参数进行辨识，得到闭环辨识的系统控制参数，在同一图中绘制闭环理论阻抗曲线和闭环阻抗辨识曲线，证明所提出的阻抗辨识方法的有效性。

本发明有益效果是：

本发明将扫频结果近似地认为是理论值，将其与当前解的阻抗值做差作为误差函数，相比于其他只能算法，其优点如下：

1.基于模拟退火算法的基本原理，相比于爬山算法和贪婪算法，有利于跳出局部最优解，寻求全局最优解。

2.选取了多组解的差值均方根作为最终的误差函数，有效地减小了误差较大的扫频数据的影响，减小了扫频过程中由测量误差和人为误差所带来的影响。

3.能够一次性辨别多组参数并且对任意形式的阻抗模型普遍适用，测量时仅需短暂断开闭环控制，在公共耦合点处施加小扰动并测量即可得到参数，对并网逆变器正常工作影响小。

4.辨识后可以对仅结构与控制方式已知的灰箱电力电子系统运用Nyquist判据来进行稳定性分析，克服了由于设备老化或结构参数保密而导致的参数未知、稳定性无法分析等问题。

解决了现有技术对电力电子变换器阻抗进行实时辨识无法做到同时辨识功率参数与控制参数等技术问题。

附图说明

图1为本发明提供的LCL型三相并网逆变器主电路及其控制框图；

图2为本发明提供的基于模拟退火算法的阻抗模型辨识方法流程图；

图3为本发明提供的基于模拟退火算法辨识出的功率参数所绘制的开环阻抗曲线与理论阻抗曲线的对比图；

图4为本发明提供的基于模拟退火算法辨识出的控制参数所绘制的闭环阻抗曲线与理论阻抗曲线的对比图。

具体实施方式

本发明的目的是通过构建序阻抗模型、拟合获取参数，以达到分析系统稳定性的目的，包括：

步骤1：构建电力电子装置的序阻抗模型，得到电力电子装置的序阻抗传递函数。

本发明所述实例为LCL型三相并网逆变器，但是实际对任意一种结构已知的电力电子装置都可以按着本发明技术方案进行参数辨识。图1为本发明提供的LCL型三相并网逆变器主电路及其控制框图，如图1所示，U

表1LCL型三相并网逆变器主要参数

由此可以得到三相桥臂中点电压、三相并网电压和三相并网电流之间的关系为

本发明基于LCL型三相并网逆变器主电路及其控制框图通过多谐波线性化方式建立的LCL型三相并网逆变器正序阻抗传递函数为

其中K

同样地，可以得到开环LCL型三相并网逆变器正序阻抗传递函数为

步骤2:断开控制回路，对开环状态下的LCL型三相并网逆变器PCC点注入特定频率电压扰动，检测响应电流得到该频率下的阻抗扫频值。

记录六组不同频率下的阻抗扫频值Z

步骤3：执行基于模拟退火算法的参数辨识程序，按照电压压降与电流纹波等要求确定滤波器L

在本实例中为了验证算法的有效性将在较大范围可行域内寻求最优解x＝[L

式中

Z

初始解的选取将直接影响到算法时间复杂度以及最终解的正确性。因为初始解若选取不当，可能导致算法有一定概率陷入局部最优无法跳出。因此，在输出时需判断误差是否满足人为设定值，若不满足，需要重新执行算法。

步骤4：选取一组冷却进度表控制参数，这组参数将决定模拟退火算法的基本性能和收敛进程。

具体包含：退火的初始温度T

某一次退火后温度T

T

冷却进度表控制参数如表2所示。

表2冷却进度表控制参数

步骤5：根据新解的产生规则生成新解并判断新解是否超出可行域，如若超出解的可行域范围，则需要对解的值进行调整。记调整后新解的值为x

步骤6：根据Metropolis准则判断是否接受新解x

步骤7：判断当前温度下的迭代次数(即施加扰动的次数)是否达到N次，或者当前温度下是否已经达到最优解。最优解可以按照拟合参数可以接受的误差选取，这样做可以进一步简化算法所需时间。若二者满足其一则需对当前温度按照T＝αT

步骤8：判断当前温度T是否小于等于终止温度T

步骤9：得到开环辨识的系统功率参数如表3所示，在同一图中绘制开环理论阻抗曲线和开环阻抗辨识曲线如图3所示。由图可知，阻抗辨识曲线与理论曲线高度重合，证明了本发明所提出的阻抗辨识方法的有效性。将所得到的功率参数送入到控制参数辨识程序，按照带宽与相角裕度等要求确定电流环K

表3开环辨识得到的功率参数(误差函数f(x)＝2.05)

步骤10：按照新的可行域与冷却进度表控制参数对控制参数进行辨识，重新执行步骤5-8，得到闭环辨识的系统控制参数如表4所示，在同一图中绘制闭环理论阻抗曲线和闭环阻抗辨识曲线如图3所示。由图可知，阻抗辨识曲线与理论曲线高度重合，证明了本发明所提出的阻抗辨识方法的有效性。

表4闭环辨识得到的控制参数(误差函数f(x)＝0.342)

综上所述，相较于传统辨识方法不能对功率参数进行辨识以及辨识对象具有局限性等问题，本发明针对由于设备老化或结构参数保密而导致的参数未知的电子电子装置设计了一套对拓扑与控制结构已知的电力电子装置功率参数与控制参数进行辨识的方法。首先，采用多谐波线性化的方式对电力电子装置进行序阻抗建模，得到其阻抗传递函数表达式。然后，通过注入特定频率的谐波作为扰动测量对应频率的频率响应，并将该频率点的阻抗近似地作为理论值。最后，采用模拟退火算法对各个参数进行拟合(目标函数是代入当前解的阻抗值与理论值的差值)，并得到辨识的参数。其中，功率参数与控制参数通过断开控制回路的方式分两次进行辨识，既能提高算法的速度，也可以提升辨识的精度。通过对“灰箱”电力电子装置内部参数的辨识，可以判断电力电子装置的稳定性，并便于后续阻抗特性的优化，以达到提高稳定性的目的。