CN108899908A - 一种比例谐振调节器设计方法及装置、存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种比例谐振调节器设计方法及装置、存储介质，属于谐波电流控制技术领域。设计方法如下：根据系统滞后角度，加入相关阻尼项；观察系统的截止频率；观察所述比例谐振调节器的谐振频率；确定所述截止频率与所述谐振频率之间的关系。根据加入的阻尼项，以及比例谐振调节器的谐振频率，设计相角补偿比例谐振调节器。本发明在设计相角补偿比例谐振调节器的同时加入相关的阻尼项，即改善了比例谐振调节器相角滞后的问题，又解决了抵抗电网频率波动差的问题；同时，也克服了当只加入相关的阻尼项，保持抗电网扰动的带宽一定时，引入较大的阻尼项，将会导致在谐振点处的增益被衰减，失去比例谐振调节器优势的问题，提高了系统的稳定性。

Description

一种比例谐振调节器设计方法及装置、存储介质

技术领域

本发明属于谐波电流控制技术领域，具体地说，涉及一种比例谐振调节器设计方法及装置、存储介质。

背景技术

谐波电流控制方法作为并联型APF另一个重要控制技术，它对电流跟踪的精度直接影响了APF补偿性能的好坏。目前的并联型APF电流控制方案主要有：滞环电流控制、PI控制、重复控制、PR控制、同步旋转坐标法、单周控制等。

PR控制是由内模原理提出，可实现对交流量的无静差跟踪，并可以对指定次交流基准进行跟踪，基准可为单个或多个。但是PR调节器的参数设计一直是一个难题，参数设计不合理会带来很大的稳定性问题，当需要跟踪多个交流信号的时候就需要设计多个调节器参数，设计过程更为复杂。

传统的比例积分(PI)调节器由于对低频段增益较大、跟踪效果良好而得到广泛应用，但随着谐波电流频率的变大，增益逐渐减小，从而在跟踪高频率的谐波基准电流上存在较大静差。而比例谐振(PR)调节器在谐振频率处增益无穷大，理论上可以实现对交流基准跟踪的无静差跟踪。但是比例谐振(PR)调节器在实际运用中存在抵抗电网频率波动差和相角滞后影响系统稳定性的问题。

中国专利公开号：CN108123443A，公开日：2018年06月05日；公开了一种新型谐波负荷模型控制策略，该策略基于实测数据和谐波发生机理的谐波负荷模型，在分析实测数据的基础上，将受控电流分解为基波与谐波分量分别控制。谐波电流采用基于电压前馈解耦的双闭环控制策略，保证运行过程中的功率平衡和稳定性；提出了一种改进型的准PR双谐振控制方法对dq0轴谐波电流进行跟踪控制。该策略大大缩减谐波控制器的容量；基于Clark-Park变换的dq0电流检测方法，实时性高，物理意义清晰，计算量小；采用双闭环控制策略，保证了模型运行的功率平衡和稳定性；对谐波电流内跟踪采用准PR双谐振控制方法，同时控制2个相邻奇次谐波，在保证控制精度的同时简化了控制器。但是该发明的不足之处在于：该策略虽然基于电压前馈解耦的双闭环控制策略，保证了运行过程中的功率平衡和稳定性，但是并没有解决比例谐振调节器本身存在的抵抗电网频率波动差和相角滞后的问题，虽然都可以提高系统的稳定性，但是过程却不同。

发明内容

1、要解决的问题

针对现有比例谐振调节器存在的抵抗电网频率波动差和相角滞后的问题，本发明提供一种比例谐振调节器设计方法及装置、存储介质。本发明在设计相角补偿比例谐振调节器的同时加入相关的阻尼项，同时改善了抵抗电网频率波动差和相角滞后的问题，提高了系统的稳定性。

2、技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。

一种比例谐振调节器设计方法，其特征在于：所述设计方法如下：

根据系统滞后角度，加入相关阻尼项；

根据加入的阻尼项，设计相角补偿比例谐振调节器。

更进一步地，所述加入相关阻尼项，具体包括：

根据比例谐振调节器中加入阻尼环节后的数学模型：

其中：ω_c为谐振调节器的截止角频率；k_p为比例系数；k_r为谐振增益；s为渐近线垂直于谐振频率点之间的距离；ω_n为谐振频率；

获取阻尼型比例谐振调节器的波特图；

根据所述阻尼型比例谐振调节器的波特图，判断加入阻尼项后对系统的影响。

更进一步地，在设计相角补偿比例谐振调节器之前，还包括以下步骤：

观察系统的截止频率；

观察所述比例谐振调节器的谐振频率；

确定所述截止频率与所述谐振频率之间的关系。

更进一步地，所述设计相角补偿比例谐振调节器，具体如下：

确定相角补偿比例谐振调节器的比例系数；

确定相角补偿比例谐振调节器的补偿角度；

确定相角补偿比例谐振调节器的谐振增益。

更进一步地，所述确定比例系数，具体如下：

确定谐波电流选择性补偿的次数；

根据所述次数，确定最高次比例谐振调节器的谐振频率；

选择所述系统的截止频率；

根据所述谐振频率和所述截止频率，确定比例系数。

更进一步地，所述确定补偿角度，具体如下：

根据所述不同延时角度系统的Nyquist图形分析，加入相角补偿，旋转谐振渐近线；

根据所述加入相角补偿后系统的Nyquist图形中存在的几何关系，获取比例谐振调节器的控制对象在谐振点的角度；

根据所述相角补偿和所述角度，确定补偿角度。

更进一步地，所述确定谐振增益，具体如下：

确定有源电力滤波器中电流的各次谐波的谐波补偿剔除率；

根据系统只加入比例环节而未加入谐振控制器时的开环波特图，确定对应次谐波的开环增益；

根据所述谐波补偿剔除率和所述开环增益，确定谐振增益。

一种比例谐振调节器的设计装置，所述设计装置包括：

选取模块，用于确定所述阻尼项的取值范围，从中进行选择；

判断模块，用于判断所述系统的截止频率与所述比例谐振调节器的谐振频率之间的关系；

设计模块，用于设计相角补偿比例谐振调节器。

一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述一种比例谐振调节器设计方法。

3、有益效果

相比于现有技术，本发明的有益效果为：

(1)本发明的一种比例谐振调节器设计方法，在设计相角补偿比例谐振调节器的同时加入相关的阻尼项，即改善了比例谐振调节器相角滞后的问题，又解决了抵抗电网频率波动差的问题；同时，也克服了当只加入相关的阻尼项，保持抗电网扰动的带宽一定时，引入较大的阻尼项，将会导致在谐振点处的增益被衰减，失去比例谐振调节器优势的问题，提高了系统的稳定性；

(2)本发明通过阻尼型比例谐振调节器的波特图，实际观察确定阻尼项的取值，其取值更加符合实际需求，同时也减小了在实际运行过程中产生的实验误差，从而提高了系统的准确性与稳定性；

(3)本发明考虑到当系统的截止频率小于比例谐振调节器的谐振频率时，系统本身的稳定性将会受到影响，在设计相角补偿比例谐振调节器和加入相关的阻尼项之前，判断系统的截止频率和比例谐振调节器的谐振频率之间的关系，从而无论相角补偿比例谐振调节器和阻尼项如何设计，系统的稳定性都能得到保证；

(4)本发明根据实际系统系数设计相角补偿比例谐振调节器的比例系数、补偿角度和谐振增益，从而比例系数、补偿角度和谐振增益的大小更加适用于实际系统，与实际系统的匹配度更高，还减少了对系统稳定性的影响；

(5)本发明根据比例谐振调节器的设计方法设置了设计装置和存储介质，从而扩大了该比例谐振调节器设计方法的使用范围，使该比例谐振调节器的设计方法得到了更全面的应用。

附图说明

图1为本发明实施例1中设计方法的流程图；

图2为本发明实施例1中阻尼型比例谐振调节器的波特图；

图3为本发明实施例1中带有比例谐振调节器的系统的Nyquist图形；

图4为本发明实施例1中不同比例系数k_p的系统Nyquist图形；

图5为本发明实施例1中不同延时角度系统的Nyquist图形；

图6为本发明实施例1中加入补偿角度系统的Nyquist图形；

图7为本发明实施例1中系统加入比例谐振调节器后的整体控制框图；

图8为本发明实施例1中G_i(s)波特图；

图9为本发明实施例1中只加入比例环节而未加入谐振控制器时的开环波特图；

图10为本发明实施例1中加入3次谐波比例谐振调节器后的波特图；

图11为本发明实施例1中三相并联型APF主电路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

本实施例提供了一种比例谐振调节器设计方法，图1是本实施例的比例谐振调节器设计方法的流程图，如图1所示，该流程包括以下步骤：

步骤S101：根据系统滞后角度，加入相关阻尼项。在本实施例中，具体地讲，针对三相并联型APF系统进行控制，该三相并联型APF整体结构如图11所示，其中包括三个全桥电路、LCL滤波器、电网、非线性负载。为了使APF系统具有通用性，即APF可以运用在单相、三相三线制、三相四线制中，采用每相独立控制。

其中，获得的数学模型如下公式所示：

其中：ω_c为谐振调节器的截止角频率；k_p为比例系数；k_r为谐振增益；s为渐近线垂直于谐振频率点之间的距离；ω_n为谐振频率。

获取阻尼型比例谐振调节器的波特图。图2为本实施例中阻尼型比例谐振调节器的波特图，如图2所示，其中ω₀＝100π，k_p＝1，k_r＝10，ω_c＝5；从图2中可以看出：加入阻尼项后的比例谐振调节器，在谐振点附近的增益宽度增大，但是当保持抗电网扰动的带宽Δf一定时，若引入的阻尼项较大，谐振点处的增益将会衰减，从而失去谐振调节器的优势，故阻尼项中的截止角频率ω_c不能过大；而当较小阻尼项时，相角滞后较大，系统稳定裕度减小。

步骤S102：观察系统的截止频率，以及比例谐振调节器的谐振频率；确定所述截止频率与所述谐振频率之间的关系。具体为：

图3是带有比例谐振调节器的系统的Nyquist图形，从图3可以观察出：图3(a)中比例谐振调节器的谐振频率小于系统的截止频率，而图3(b)中比例谐振调节器的谐振频率大于系统的截止频率。

通过图3(a)与图3(b)中比例谐振调节器的谐振环节之间的对比可以观察出：当谐振环节加在小于系统的截止频率时，比例谐振调节器的加入并不影响系统的稳定性，相反加入的比例谐振调节器的谐振频率大于截止频率时，系统的相角裕度会减小，从而影响系统的稳定性。

因此选择比例谐振调节器的截止频率时，必须小于系统的截止频率，避免由于选择的比例谐振调节器的加入而影响系统的稳定性。

步骤S103：根据加入的阻尼项，以及确定的截止频率与所述谐振频率之间的关系，设计相角补偿比例谐振调节器。所设计的相角补偿比例谐振调节器的数学表达式如以下公式：

其中：k_p为比例系数；k_r为谐振增益；s为渐近线垂直于谐振频率点之间的距离；ω_n为谐振频率；θ为补偿角度。

由上式可以观察出影响相角补偿比例谐振调节器性能主要有三个变量：比例系数k_p、谐振增益k_r和补偿角度θ。

步骤S103-1：相角补偿比例谐振调节器的比例系数k_p的确定

根据奈奎斯特稳定性依据可知：如果一个系统的开环传递函数是稳定的，那么这个开环系统所构成的单位负反馈的闭环系统稳定的充要条件是其开环奈奎斯特曲线不包围谐振频率点(-1,0)，而随着比例系数k_p的增大，系统的奈奎斯特曲线趋近于谐振频率点(-1,0)，系统的相角裕度则不断减小，从而提高系统的稳定性；其中图4为本实施例中不同比例系数k_p的系统Nyquist图形，如图4所示，随着比例系数k_p的增大，系统的相角裕度不断减小，系统稳定性提高。

具体地讲，本实施例中选择的有源电力滤波器的谐波电流选择性补偿的次数在21次以内，由于谐波电流选择性补偿的次数在21次以内，从而最高次的比例谐振调节器的谐振频率为1.05kHz，根据步骤S102可知，系统的截止频率需大于比例谐振调节器的截止频率，故在本实施例中，选择的系统截止频率为1.5kHz，从而比例谐振调节器的比例系数k_p为0.025。

步骤S103-2：相角补偿比例谐振调节器的补偿角度θ的确定

图5为本实施例中不同延时角度系统的Nyquist图形，如图5所示，随着延时角度的增大，系统的奈奎斯特图逐渐包围谐振频率点(-1,0)，从而系统的稳定性逐渐降低；加入相角补偿后，系统的Nyquist图形如图6所示，从图6可以看出：加入相角补偿后系统的谐振渐近线将会逆时针旋转，导致系统的奈奎斯特图不包围谐振频率点(-1,0)，从而消除了由于延时环节和谐振环节造成的相角滞后，导致系统不稳定的现象，因此相角补偿的角度主要根据相角滞后角度的大小进行设计。

图6为本实施例中加入补偿角度系统的Nyquist图形，如图6所示，当谐振处的渐近线垂直于谐振频率点(-1,0)时，能够取得较好的相角补偿角度θ，图6中S₂为谐振处的渐近线垂直于谐振频率点(-1,0)的距离，根据图6加入补偿角度的几何关系图可以得到如下公式：

γ＝π/2+α

其中：α为1+G_PR(jωn)G₁(jωn)的相角。

加入比例谐振调节器的控制对象G₁(jωn)在谐振点的角度后，上式将如下表示：

γ＝π/2+θ+∠G₁(jω_n)

其中：θ为补偿角度。

从而补偿角度θ的大小为：

θ＝α-∠G₁(jω_n)

步骤S103-3：相角补偿比例谐振调节器的谐振增益k_r的确定

图7为系统加入比例谐振调节器后的整体控制框图，由图7可知如下公式：

i₂(s)＝Φ(s)·G_i(s)·i_Caref(s)

其中：i₂为入网电流；i_Caref为基准电流。

其中若入网电流i₂的相角和幅值等于基准电流i_Caref的相角和幅值，则可实现无差跟踪，即Φ(s)·G_i(s)的相角必须趋近于0，其幅值必须趋近于1；图8为本实施例中G_i(s)波特图，由图8观察可知：在频率小于2kHz时，G_i(s)的相角为0°、幅值为1，从而只需设计Φ(s)的相角趋近于0°、幅值趋近于1。

其中有源电力滤波器中电流的各次谐波的谐波补偿剔除率λ_n的数学表达式如下：

具体地讲，在本实施例中各次谐波的谐波补偿剔除率λ_n为0.99，谐波次数为3次，如图9所示，其中图9为本实施例中只加入比例环节而未加入谐振控制器时的开环波特图，根据图9的开环波特图可知：系统在3次谐波处的开环增益为20dB。

根据公式(10)、谐波补偿剔除率λ_n为0.99以及开环增益为20dB可知，谐振增益k_r3的大小为9.9。

图10为本实施例中加入3次谐波比例谐振调节器后的波特图，如图10所示，从图10中观察可知：3次谐波的跟踪误差为0.01；从而可以发现本发明的比例谐振调节器设计方法符合实际需求。

实施例2

本实施例提供了一种比例谐振调节器的设计装置，该装置用于实现实施例1中的方法，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

该比例谐振调节器的设计装置包括：

选取模块，根据比例谐振调节器中加入阻尼环节后的数学模型，获取其加入阻尼环节后比例谐振调节器的波特图，观察波特图可以发现：加入阻尼项后的比例谐振调节器，在谐振点附近的增益宽度增大，但是当保持抗电网扰动的带宽Δf一定时，若引入的阻尼项较大，谐振点处的增益将会衰减，并将失去谐振调节器的优势。

由于上述原因，从而阻尼项中的截止角频率ω_c不能过大，故选取模块在选择阻尼项时，阻尼项中的截止角频率ω_c应避免过大。

判断模块，通过实施例1中步骤S102可知，若比例谐振调节器的谐振频率大于截止频率，系统的相角裕度会减小，同时系统的稳定性也将受到相应影响。

由于上述原因，判断模块在确定比例谐振调节器的截止频率时，其截止频率必须小于系统的截止频率，以避免由于选择的比例谐振调节器的加入而影响系统的稳定性。

设计模块，根据选取模块中确定的阻尼项的截止角频率ω_c和判断模块中确定的比例谐振调节器的截止频率，观察现有系统中的相角滞后现象，然后根据该相角滞后现象，设计相角补偿比例谐振调节器的比例系数、补偿角度和谐振增益。

需要说明的是，上述各个模块是可以通过软件或硬件来实现的，对于后者，可以通过以下方式实现，但不限于此：上述模块均位于同一处理器中；或者，上述各个模块以任意组合的形式分别位于不同的处理器中。

实施例3

本实施例提供了一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，其中，该计算机程序被设置为运行时执行实施例1中的一种比例谐振调节器设计方法。

在本实施例中，上述存储介质可以包括但不限于：U盘、只读存储器(Read-OnlyMemory，简称为ROM)、随机存取存储器(Random Access Memory，简称为RAM)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储计算机程序的介质。

以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的方法步骤及实施例，均应属于本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种比例谐振调节器设计方法，其特征在于：所述设计方法如下：

根据系统滞后角度，加入相关阻尼项；

根据加入的阻尼项，设计相角补偿比例谐振调节器。

2.根据权利要求1所述的一种比例谐振调节器设计方法，其特征在于：所述加入相关阻尼项，具体包括：

根据比例谐振调节器中加入阻尼环节后的数学模型：

其中：ω_c为谐振调节器的截止角频率；k_p为比例系数；k_r为谐振增益；s为渐近线垂直于谐振频率点之间的距离；ω_n为谐振频率；

获取阻尼型比例谐振调节器的波特图；

根据所述阻尼型比例谐振调节器的波特图，判断加入阻尼项后对系统的影响。

3.根据权利要求2所述的一种比例谐振调节器设计方法，其特征在于：在设计相角补偿比例谐振调节器之前，还包括以下步骤：

观察系统的截止频率；

观察所述比例谐振调节器的谐振频率；

确定所述截止频率与所述谐振频率之间的关系。

4.根据权利要求3所述的一种比例谐振调节器设计方法，其特征在于：所述设计相角补偿比例谐振调节器，具体如下：

确定相角补偿比例谐振调节器的比例系数；

确定相角补偿比例谐振调节器的补偿角度；

确定相角补偿比例谐振调节器的谐振增益。

5.根据权利要求4所述的一种比例谐振调节器设计方法，其特征在于：所述确定比例系数，具体如下：

确定谐波电流选择性补偿的次数；

根据所述次数，确定最高次比例谐振调节器的谐振频率；

选择所述系统的截止频率；

根据所述谐振频率和所述截止频率，确定比例系数。

6.根据权利要求4所述的一种比例谐振调节器设计方法，其特征在于：所述确定补偿角度，具体如下：

根据所述不同延时角度系统的Nyquist图形分析，加入相角补偿，旋转谐振渐近线；

根据所述加入相角补偿后系统的Nyquist图形中存在的几何关系，获取比例谐振调节器的控制对象在谐振点的角度；

根据所述相角补偿和所述角度，确定补偿角度。

7.根据权利要求4所述的一种比例谐振调节器设计方法，其特征在于：所述确定谐振增益，具体如下：

确定有源电力滤波器中电流的各次谐波的谐波补偿剔除率；

根据系统只加入比例环节而未加入谐振控制器时的开环波特图，确定对应次谐波的开环增益；

根据所述谐波补偿剔除率和所述开环增益，确定谐振增益。

8.一种比例谐振调节器的设计装置，其特征在于：所述设计装置包括：

选取模块，用于确定所述阻尼项的取值范围，从中进行选择；

判断模块，用于判断所述系统的截止频率与所述比例谐振调节器的谐振频率之间的关系；

设计模块，用于设计相角补偿比例谐振调节器。

9.一种存储介质，其特征在于：所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至7任一项中所述的设计方法。