基于无模型自适应控制的输电线路MC-WPT系统及其控制方法

基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及磁耦合无线电能传输(mc-wpt)技术领域，尤其涉及基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统及其控制方法。


背景技术：

2.随着经济社会和智能电网的不断发展，大容量、远距离电能传输是解决中国能源资源分布与电力需求不匹配的重要手段，输电线路在线监测设备已经被广泛应用，而在线监测设备的供电可靠性已成为制约输电线路在线监测技术发展的重要因素。目前在线监测设备的主要供电有：蓄电池供电、太阳能供电、风能供电、微波供电、电压互感式等。但在安全性、实用性、应用成本方面均存在可靠性不足、实现难度高、应用成本高等问题。因此，为解决在线监测设备的供电问题，国内外不少学者都已经在研究如何通过在高压输电线路上安装电流互感器(current transformer,ct)取能装置与无线电能传输(wireless power transfer,wpt)技术相结合，以实现将从线路获取的能量为安装在输电杆塔上的在线监测设备供电，来保障高压输电线路能够安全、稳定运行。
3.在电压等级大于或等于110kv的高压输电线路中，安全绝缘距离在1m以上，目前常见的谐振式无线电能传输系统的有效传输距离往往小于此安全绝缘距离，供给的能量无法满足负载的功率需求。为了提升系统的有效传输距离，目前常见的方式就是在传统的双线圈结构中间加入多个中继线圈。
4.然而，目前针对高压输电应用环境下的多中继线圈型无线电能传输系统均存在一些不足之处：
5.1、多中继无线电能传输系统具有高阶、复杂交叉耦合等特点，基于目前常用的分析方法，在建模和分析过程中需要处理大量的系统参数，很难直接求解系统能效方程，难以实现对不同负载的功率控制；
6.2、系统鲁棒性差，大多数多中继无线电能传输系统采用开环或传统的pid控制方法，抗干扰性差，不利于在线监测设备的安全、稳定运行。


技术实现要素：

7.本发明提供基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统及其控制方法，解决的技术问题在于：如何以一种新的控制方式实现输电线路mc-wpt系统的恒压输出控制，并能提高mc-wpt系统的鲁棒性。
8.为解决以上技术问题，本发明提供一种基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统，包括原边电能变换装置、磁耦合机构、副边电能变换装置、在线监测设备，所述原边电能变换装置包括高压取能变换单元、高频逆变单元和原级补偿网络，所述副边电能变换装置包括次级补偿网络、全桥整流模块，其关键在于：
9.该系统还包括电压采样模块和无模型自适应控制器；
10.所述电压采样模块用于对所述在线监测设备的电压进行采样并发送至所述无模
型自适应控制器；
11.所述无模型自适应控制器根据当前时刻的采样电压和前一时刻的采样电压，以及当前时刻和前一时刻的所述高频逆变单元的移相角，计算下一时刻的移相角并发送至所述高频逆变单元，以此实现闭环控制直至所述在线监测设备的电压均达到其期望电压。
12.优选的，所述无模型自适应控制器计算最新的移相角的具体过程为：
13.根据计算下一时刻的电压理论值u
th
(k+1)，其中δtheta(k)＝theta(k)-theta(k-1)为当前时刻与前一时刻的移相角差值，为当前时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，u(k)为当前时刻的采样电压，上标t表示矩阵转置；
14.根据计算下一时刻的移相角theta(k+1)，为下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，ρ∈(0,1]为第一步长因子，λ》0是第一权重因子，ref为所述在线监测设备的期望电压。
15.优选的，下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值根据下式迭代：
[0016][0017]
其中，η∈(0,2]是第二步长因子，μ》0是第二权重因子，δu(k)＝u(k)-u(k-1)为当前时刻与前一时刻的采样电压差值。
[0018]
优选的，所述磁耦合机构包括发射线圈、n个中继线圈、接收线圈。
[0019]
优选的，所述中继线圈连接有中继补偿电容。
[0020]
优选的，所述原级补偿网络采用lcc补偿网络，所述次级补偿网络采用lcc补偿网络。
[0021]
优选的，μ＝10，η＝1，λ＝300，ρ＝0.9。
[0022]
本发明还提供一种基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统的控制方法，其关键在于，包括步骤：
[0023]
s1、所述无模型自适应控制器以初始移相角控制所述高频逆变单元；
[0024]
s2、所述电压采样模块对所述在线监测设备的电压进行采样并发送至所述无模型自适应控制器；
[0025]
s3、所述无模型自适应控制器根据当前时刻的采样电压和前一时刻的采样电压，以及当前时刻和前一时刻的所述高频逆变单元的移相角，计算下一时刻的移相角并发送至所述高频逆变单元，以此实现闭环控制直至所述在线监测设备的电压均达到其期望电压。
[0026]
进一步地，所述步骤s3具体包括步骤：
[0027]
s31、根据计算下一时刻的电压理论值u
th
(k+1)，其中δtheta(k)＝theta(k)-theta(k-1)为当前时刻与前一时刻的移相角差值，为当前时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，上标t表示矩阵转置，u(k)为当前时刻的采样电压；
[0028]
s32、根据计算下一时刻的移相角theta(k+1)，为下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，ρ∈(0,1]为第一步长因子，λ》0是第一权重因子，ref为该在线监测设备的期望电压。
[0029]
进一步地，在所述步骤s32中，下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值根据下式迭代：
[0030][0031]
其中，η∈(0,2]是第二步长因子，μ》0是第二权重因子，δu(k)＝u(k)-u(k-1)为当前时刻与前一时刻的采样电压差值。
[0032]
本发明提供的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统及其控制方法，采用无模型自适应控制器根据当前时刻的采样电压和前一时刻的采样电压，以及当前时刻和前一时刻的所述高频逆变单元的移相角，计算下一时刻的移相角并发送至所述高频逆变单元，以此实现闭环控制直至在线监测设备的电压达到其期望电压。本发明采用无模型自适应控制与多中继线圈无线电能传输系统相结合，不必受制于多中继无线电能传输系统复杂的数学模型，简化了整个系统的设计分析环节，并且根据系统内的参数摄动及负载变化自行的调整控制参数，提高了系统的整体鲁棒性，保证了无线电能传输系统的传输距离与传输稳定性。并且，与传统自适应控制方法相比，无模型自适应控制方法具有如下几个优点：
[0033]
1、仅依赖于被控系统实时量测的数据，不依赖受控系统任何的数学模型信息；
[0034]
2、不需要任何外在的测试信号或训练过程，而这些对于基于神经网络的非线性自适应控制方法是必需的，因此，控制成本低；
[0035]
3、方法简单、计算负担小、易于实现且鲁棒性较强；
[0036]
4、可保证闭环系统跟踪误差的单调收敛性和有界输入有界输出(bounded-input bounded-output，bibo)稳定性，这是区别于其他数据驱动控制方法的重要特点。
附图说明
[0037]
图1是本发明实施例提供的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统的模块结构图；
[0038]
图2是本发明实施例提供的磁耦合机构的层级示意图；
[0039]
图3是本发明实施例提供的磁耦合机构的线圈间磁场分布图；
[0040]
图4是本发明实施例提供的无模型自适应控制的流程图；
[0041]
图5是本发明实施例提供的仿真中无模型自适应控制器的输入输出示意图。
具体实施方式
[0042]
下面结合附图具体阐明本发明的实施方式，实施例的给出仅仅是为了说明目的，并不能理解为对本发明的限定，包括附图仅供参考和说明使用，不构成对本发明专利保护
范围的限制，因为在不脱离本发明精神和范围基础上，可以对本发明进行许多改变。
[0043]
本发明设计的无线电能传输系统用于高压输电线路中的在线监测设备。在耦合机构设计方面，由于单发射单接收耦合机构对系统参数敏感，传输距离短，输出功率的稳定性差，因此磁耦合机构的设计应从增加中继单元和设计无模型自适应控制器参数的角度出发。
[0044]
ct取能技术从高电压输电线路周围的交变电磁场中收集的能量能够满足绝大多数在线监测设备的供电需求，如图1所示，本发明实施例提供的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统，包括原边电能变换装置、磁耦合机构、副边电能变换装置、在线监测设备，所述原边电能变换装置包括高压取能变换单元、高频逆变单元和原级补偿网络，所述副边电能变换装置包括次级补偿网络、全桥整流模块，该系统还包括电压采样模块和无模型自适应控制器(fcn)；
[0045]
所述电压采样模块用于对所述在线监测设备的电压进行采样并发送至所述无模型自适应控制器；
[0046]
所述无模型自适应控制器根据当前时刻的采样电压和前一时刻的采样电压，以及当前时刻和前一时刻的所述高频逆变单元的移相角，计算下一时刻的移相角并发送至所述高频逆变单元，以此实现闭环控制直至所述在线监测设备的电压均达到其期望电压。
[0047]
整个系统的工作过程为首先通过ct取电装置从高压输电线路上获取能量，经原边电能变换装置，将工频电能转换为高频电能，通过由发射线圈、多中继线圈和接收线圈组成的磁耦合机构将电能传输至副边电能变换装置，磁耦合机构中的多个线圈(磁耦合机构包括发射线圈、n个中继线圈、接收线圈)在高频交变磁场的作用下产生磁耦合，接收线圈会捕捉到部分高频交变磁场，并产生高频感应电压，副边电能变换装置会对该高频感应电压整流产生直流电，并采集输出的直流电压作为控制量经过无模型自适应控制器得到逆变器的移相角送到原边电能变换装置的高频逆变单元中进行移相控制，最终实现将可靠和稳定的低压直流电源供给给高压输电线路在线监测设备。
[0048]
本发明实施例采用如图2所示发射线圈-双中继线圈-接收线圈结构，线圈间磁场分布图如图3所示，由图3可知，电能收发线圈间的耦合效果较好，磁场主要分布于线圈之间的空间，向外部空间辐射的磁场较少，可以忽略不计，说明磁芯材料起到了较好的磁屏蔽作用。
[0049]
为了实现较稳定的恒压输出，原级补偿网络采用lcc补偿网络，次级补偿网络采用lcc补偿网络，每个中继线圈还连接有中继补偿网络。
[0050]
具体的，如图4的流程图所示，电压采样模块对每个在线监测设备的电压进行采样并发送至无模型自适应控制器。无模型自适应控制器计算最新的移相角theta(k+1)。
[0051]
无模型自适应控制器计算最新的移相角theta(k+1)的具体过程为：
[0052]
先根据计算下一时刻的电压理论值u
th
(k+1)，其中δtheta(k)＝theta(k)-theta(k-1)为当前时刻与前一时刻的移相角差值，为当前时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，u(k)为当前时刻的采样电压，上标t表示矩阵转置；
[0053]
再根据计算下一时刻的移相角theta(k+1)，为下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，ρ∈(0,1]为第一步长因子，λ》0是第一权重因子，ref为针对该在线监测设备的期望电压。
[0054]
如果或
[0055][0056]
是当前时刻系统伪雅克比矩阵的估计值；是的初值。下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值根据下式迭代：
[0057][0058]
其中，η∈(0,2]是第二步长因子，μ》0是第二权重因子，δu(k)＝u(k)-u(k-1)为当前时刻与前一时刻的采样电压差值。
[0059]
本发明实施例搭建simulink仿真模型，采用逆变器进行直流电到85khz的高频交流电的变换，采用lcc-s-s-lcc的谐振网络进行补偿。高压输电线路的ct取电装置给原边的高频逆变提供稳定的直流电源，随后发射线圈分别经过两个独立的中继线圈发射到副边接收线圈进行电能的无线传输，其中经过全桥整流之后得到直流电最后滤波之后供给负载。在负载端进行电压采样，采样的电压送回如图5所示的无模型自适应控制器当中，进行迭代运算得到最新的移相角theta_next，送回到原边的高频逆变单元之中进行移相操作，最终实现直流负载两端的电压恒定的闭环控制。
[0060]
建立了simulink模型后，假设要控制负载两端的直流输出电压为50v，即设置ref＝50v，在负载两端进行200khz采样频率的直流电压采样，采样的值在如图5所示的无模型自适应控制器中以u为变量作为输入，经过延迟环节1/z之后输入控制器的u_1代表的是上一个采样周期输入的直流电压，theta为输入的控制器输出当前时刻逆变单元的移相角，经过一个延迟环节1/z的输入theta_1为上一个时刻逆变器的移相角，fai为当前时刻估计器的参数，输出端的theta_next为输出给逆变器的移相角，同时作为新的输入量给到theta进行新一轮的迭代计算，输出端的fai_next为新的估计器参数输出，作为新的输入量给到下一时刻的fai。首先确定权重因子μ＝10，步长因子η＝1，权重因子λ＝300，步长因子ρ＝0.9。
[0061]
首先计算：
[0062]
δu(k)＝u-u_1，
[0063]
δtheta1＝theta-theta_1，
[0064]
根据公式可以计算得到u
th
(k+1)，再根据计算出theta_next输入到逆变单元。
[0065]
并根据公式计算用于下一次迭代。
[0066]
计算得到的theta_next输出到dsp28335控制器的移相寄存器，通过dsp28335的epwm模块进行逆变器的pwm波驱动，采用epwm1a和epwm1b作为逆变器同一个桥臂1上两个mos管的驱动，它们是完全反相的两段pwm波，epwm2a和epwm2b作为逆变器另一个桥臂2上的两个mos管的驱动，它们也是完全反相的两段pwm波。此时这个移相角的作用是在桥臂1不动的基础上，桥臂2进行移相，此时桥臂1会和桥臂2之间会形成一个较小的导通角，导致整个全桥逆变器输出的pwm占空比减小，就能够达到减小电压的目的。同理可得theta2_next作为epwm3和epwm4的移相角。当电压调整之后，再与预设的ref进行比较，随后重新计算新的估计器参数以及theta移相角再次进行移相调整，直到直流电压u和ref完全相等。
[0067]
本发明实施例还提供基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统的控制方法，参考图4的流程图，包括步骤：
[0068]
包括步骤：
[0069]
s1、所述无模型自适应控制器以初始移相角控制所述高频逆变单元；
[0070]
s2、所述电压采样模块对所述在线监测设备的电压进行采样并发送至所述无模型自适应控制器；
[0071]
s3、所述无模型自适应控制器根据当前时刻的采样电压和前一时刻的采样电压，以及当前时刻和前一时刻的所述高频逆变单元的移相角，计算下一时刻的移相角并发送至所述高频逆变单元，以此实现闭环控制直至所述在线监测设备的电压均达到其期望电压。
[0072]
步骤s3具体包括步骤：
[0073]
s31、根据计算下一时刻的电压理论值u
th
(k+1)，其中δtheta(k)＝theta(k)-theta(k-1)为当前时刻与前一时刻的移相角差值，为当前时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，上标t表示矩阵转置，u(k)为当前时刻的采样电压；
[0074]
s32、根据计算下一时刻的移相角theta(k+1)，为下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，ρ∈(0,1]为第一步长因子，λ》0是第一权重因子，ref为该在线监测设备的期望电压。
[0075]
在步骤s32中，下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值根据下式迭代：
[0076][0077]
其中，η∈(0,2]是第二步长因子，μ》0是第二权重因子，δu(k)＝u(k)-u(k-1)为当前时刻与前一时刻的采样电压差值。
[0078]
综上，本发明实施例提供的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统及其控制方法，采用无模型自适应控制器根据当前时刻的采样电压和前一时刻的采样电压，以及
当前时刻和前一时刻的所述高频逆变单元的移相角，计算下一时刻的移相角并发送至所述高频逆变单元，以此实现闭环控制直至在线监测设备的电压达到其期望电压。本发明采用无模型自适应控制与多中继线圈无线电能传输系统相结合，不必受制于多中继无线电能传输系统复杂的数学模型，简化了整个系统的设计分析环节，并且根据系统内的参数摄动及负载变化自行的调整控制参数，提高了系统的整体鲁棒性，保证了无线电能传输系统的传输距离与传输稳定性。并且，与传统自适应控制方法相比，无模型自适应控制方法具有如下几个优点：
[0079]
1、仅依赖于被控系统实时量测的数据，不依赖受控系统任何的数学模型信息；
[0080]
2、不需要任何外在的测试信号或训练过程，而这些对于基于神经网络的非线性自适应控制方法是必需的，因此，控制成本低；
[0081]
3、方法简单、计算负担小、易于实现且鲁棒性较强；
[0082]
4、可保证闭环系统跟踪误差的单调收敛性和有界输入有界输出(bounded-input bounded-output，bibo)稳定性，这是区别于其他数据驱动控制方法的重要特点。
[0083]
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统，包括原边电能变换装置、磁耦合机构、副边电能变换装置、在线监测设备，所述原边电能变换装置包括高压取能变换单元、高频逆变单元和原级补偿网络，所述副边电能变换装置包括次级补偿网络、全桥整流模块，其特征在于：该系统还包括电压采样模块和无模型自适应控制器；所述电压采样模块用于对所述在线监测设备的电压进行采样并发送至所述无模型自适应控制器；所述无模型自适应控制器根据当前时刻的采样电压和前一时刻的采样电压，以及当前时刻和前一时刻的所述高频逆变单元的移相角，计算下一时刻的移相角并发送至所述高频逆变单元，以此实现闭环控制直至所述在线监测设备的电压均达到其期望电压。2.根据权利要求1所述的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统，其特征在于，所述无模型自适应控制器计算最新的移相角的具体过程为：根据计算下一时刻的电压理论值u
th
(k+1)，其中δtheta(k)＝theta(k)-theta(k-1)为当前时刻与前一时刻的移相角差值，为当前时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，u(k)为当前时刻的采样电压，上标t表示矩阵转置；根据计算下一时刻的移相角theta(k+1)，为下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，ρ∈(0,1]为第一步长因子，λ>0是第一权重因子，ref为所述在线监测设备的期望电压。3.根据权利要求2所述的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统，其特征在于，下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值根据下式迭代：其中，η∈(0,2]是第二步长因子，μ>0是第二权重因子，δu(k)＝u(k)-u(k-1)为当前时刻与前一时刻的采样电压差值。4.根据权利要求1所述的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统，其特征在于：所述磁耦合机构包括发射线圈、n个中继线圈、接收线圈。5.根据权利要求4所述的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统，其特征在于：所述中继线圈连接有中继补偿电容。6.根据权利要求5所述的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统，其特征在于，所述原级补偿网络采用lcc补偿网络，所述次级补偿网络采用lcc补偿网络。7.根据权利要求3所述的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统，其特征在于：μ＝10，η＝1，λ＝300，ρ＝0.9。8.权利要求1～7任意一项所述的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统的控制方法，其特征在于，包括步骤：
s1、所述无模型自适应控制器以初始移相角控制所述高频逆变单元；s2、所述电压采样模块对所述在线监测设备的电压进行采样并发送至所述无模型自适应控制器；s3、所述无模型自适应控制器根据当前时刻的采样电压和前一时刻的采样电压，以及当前时刻和前一时刻的所述高频逆变单元的移相角，计算下一时刻的移相角并发送至所述高频逆变单元，以此实现闭环控制直至所述在线监测设备的电压均达到其期望电压。9.根据权利要求8所述的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统的控制方法，其特征在于，所述步骤s3具体包括步骤：s31、根据计算下一时刻的电压理论值u
th
(k+1)，其中δtheta(k)＝theta(k)-theta(k-1)为当前时刻与前一时刻的移相角差值，为当前时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，上标t表示矩阵转置，u(k)为当前时刻的采样电压；s32、根据计算下一时刻的移相角theta(k+1)，为下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值，ρ∈(0,1]为第一步长因子，λ>0是第一权重因子，ref为该在线监测设备的期望电压。10.根据权利要求9所述的基于无模型自适应控制的输电线路mc-wpt系统的控制方法，其特征在于：在所述步骤s32中，下一时刻的系统伪雅克比矩阵的估计值根据下式迭代：其中，η∈(0,2]是第二步长因子，μ>0是第二权重因子，δu(k)＝u(k)-u(k-1)为当前时刻与前一时刻的采样电压差值。

技术总结
本发明涉及磁耦合无线电能传输技术领域，具体公开了一种基于无模型自适应控制的输电线路MC-WPT系统及其控制方法，采用无模型自适应控制器根据当前时刻的采样电压和前一时刻的采样电压，以及当前时刻和前一时刻的所述高频逆变单元的移相角，计算下一时刻的移相角并发送至所述高频逆变单元，以此实现闭环控制直至在线监测设备的电压达到其期望电压。本发明采用无模型自适应控制与多中继线圈无线电能传输系统相结合，不必受制于多中继无线电能传输系统复杂的数学模型，简化了整个系统的设计分析环节，并且根据系统内的参数摄动及负载变化自行的调整控制参数，提高了系统的整体鲁棒性，保证了无线电能传输系统的传输距离与传输稳定性。稳定性。稳定性。


技术研发人员：陈丰伟 胡宏晟 魏乐源 张童
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/8/14