CN112564148B - 一种双环控制器参数修正方法、装置、变流器及发电系统 - Google Patents

一种双环控制器参数修正方法、装置、变流器及发电系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种双环控制器参数修正方法、装置、变流器及发电系统。其中，该方法包括：设置仿真参数，并按照所述仿真参数在仿真模型中进行仿真；其中，所述仿真参数包括：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数；根据仿真结果对所述电压外环控制器参数进行修正，直至所述仿真结果满足预设条件。通过本发明，能够根据仿真的结果适应性地修正电压外环控制器参数，提升控制性能，提高用户满意度。

Description

一种双环控制器参数修正方法、装置、变流器及发电系统
技术领域
本发明涉及电子电力技术领域，具体而言，涉及一种双环控制器参数修正方法、装置、变流器及发电系统。
背景技术
分布式能源具有环保、高效、灵活等优势，日益受到人们的关注，其发电技术也得到了快速的发展。通常分布式发电系统中都会配置储能设备来平抑分布式系统的功率波动，从而减少对电网的冲击。分布式能源和储能设备需要通过变流器与电网进行能量交换。分布式发电系统主要有并网和离网两种工作模式。离网模式下，变流器作为逆变电源给交流负荷供电，图1为现有的发电系统的控制原理图，如图1所示，一般采用电压外环和电流内环相结合的双环控制策略。电压外环常用的控制策略有纯比例控制或者比例积分控制。由于电压外环和电流内环构成一个高阶系统，双环控制器的参数设置是一个难点。目前，常用的方法是将电压外环和电流内环单纯地看作一个二阶系统，然后分别设置外环和内环控制器的参数。这种方法虽然能够使整个系统正常运行，但控制性能较差，用户满意度低。
针对现有技术中双环控制器的控制性能较差，用户满意度低的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例中提供一种双环控制器参数修正方法、装置、变流器及发电系统，以解决现有技术中控制性能较差，用户满意度低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种双环控制器参数修正方法，应用于变流器，该变流器的电力输出线连接输出滤波器，该方法包括：
设置仿真参数，并按照所述仿真参数在仿真模型中进行仿真；其中，所述仿真参数包括：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数；
根据仿真结果对所述电压外环控制器参数进行修正，直至所述仿真结果满足预设条件。
进一步地，设置仿真参数，包括：
根据所述输出滤波器的特性设置电压外环的截止频率和电流内环的截止频率；
根据电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置电压外环控制器参数；
根据电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置电流内环控制器参数。
进一步地，根据所述输出滤波器的特性设置电压外环的截止频率和电流内环的截止频率，包括：
获取所述输出滤波器的谐振频率；
根据所述输出滤波器的谐振频率确定所述电压外环的截止频率，使所述电压外环的截止频率与所述输出滤波器的谐振频率之间的差值大于第一预设值；
根据所述输出滤波器的谐振频率确定所述电流内环的截止频率，使所述电流内环的截止频率与所述输出滤波器的谐振频率之间的差值大于第二预设值；
其中，所述电流内环的截止频率小于所述电压外环的截止频率。
进一步地，根据电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置电压外环控制器参数，包括：
根据所述电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置所述电压外环控制器的比例系数；
根据所述电压外环控制器的自然频率设置所述电压外环控制器的积分系数；
其中，所述电压外环控制器的比例系数与所述电压外环控制器的阻尼系数和自然频率的乘积正相关，所述电压外环控制器的积分系数与所述电压外环控制器的自然频率正相关。
进一步地，根据电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置电流内环控制器参数，包括：
根据所述电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置所述电流内环控制器的比例系数；
根据所述电流内环控制器的自然频率设置所述电流内环控制器的积分系数；
其中，所述电流内环控制器的比例系数与所述电流内环控制器的阻尼系数和自然频率的乘积正相关，所述电流内环控制器的积分系数与所述电流内环控制器的自然频率正相关。
进一步地，根据仿真结果对所述电压外环控制器参数进行修正，直至所述仿真结果满足预设条件，包括：
根据仿真结果判断超调量是否小于第一阈值；
如果是，则保持当前电压外环控制器参数不变；
如果否，则修正当前电压外环控制器参数，并按照修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，直至所述超调量小于第一阈值后，触发保持当前电压外环控制器参数不变。
进一步地，修正当前电压外环控制器参数，包括：
增大所述电压外环控制器的阻尼系数，以增大所述电压外环控制器的比例系数。
进一步地，根据仿真结果判断超调量是否小于第一阈值之后，所述方法还包括：
如果超调量小于第一阈值，则继续判断调节时间是否小于第二阈值；
如果是，则保持当前电压外环控制器参数不变；
如果否，则重新修正当前电压外环控制器参数，并按照修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，直至所述调节时间小于第二阈值后，触发保持当前电压外环控制器参数不变。
进一步地，重新修正当前电压外环控制器参数，包括：
增大所述电压外环控制器的自然频率，以同时增大所述电压外环控制器的比例系数和积分系数。
本发明还提供一种双环控制器参数修正装置，用于实现上述双环控制器参数修正方法，该装置包括：
参数设置模块，用于设置仿真参数；
仿真模块，用于按照所述仿真参数在仿真模型中进行仿真；其中，所述仿真参数包括：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数；
修正模块，用于根据仿真结果对所述电压外环控制器参数进行修正，直至所述仿真结果满足预设条件。
本发明还提供一种变流器，包括上述双环控制器参数修正装置。
本发明还提供一种发电系统，包括上述变流器。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现上述双环控制器参数修正方法。
应用本发明的技术方案，设置仿真参数并按照所述仿真参数在仿真模型中进行仿真；其中，仿真参数包括：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数；根据仿真结果对所述电压外环控制器参数进行修正，直至所述仿真结果满足预设条件，能够根据仿真的结果适应性地修正电压外环控制器参数，提升控制性能，提高用户满意度。
附图说明
图1为现有的发电系统的控制原理图；
图2为根据本发明实施例的双环控制器参数修正方法的流程图；
图3为根据本发明实施例的双环控制框图；
图4为根据本发明实施例的简化后的电压外环控制框图；
图5为根据本发明实施例的电流内环的控制框图；
图6为根据本发明实施例的双环控制器参数修正装置的结构图；
图7为根据本发明另一实施例的双环控制器参数修正装置的结构图；
图8为根据本发明另一实施例的双环控制器参数修正方法的流程图；
图9为根据本发明实施例的仿真结果的波形图；
图10为根据本发明实施例的电容电压的谐波畸变率THD值的统计图；
图11为根据本发明实施例的修正参数后的仿真结果的波形图；
图12为根据本发明实施例的修正参数后的电容电压的谐波畸变率THD值的统计图；
图13为根据本发明实施例的实验结果的波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义，“多种”一般包含至少两种。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
下面结合附图详细说明本发明的可选实施例。
实施例1
本实施例提供一种双环控制器参数修正方法，该方法应用于变流器，变流器的电力输出线连接输出滤波器，如上文中提及的图1中所示，该变流器的输出线连接输出滤波器，输出滤波器中包括分别串联接入每一相的第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3，以及跨接在任意两相之间的第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，输出滤波器的总电感值为L，总电容值为C。采样变流器的输出电流iL，输出至电流内环，采样变流器的电容电压Uc，输出至电压外环。
图2为根据本发明实施例的双环控制器参数修正方法的流程图，如图2所示，该方法包括：
S101，设置仿真参数，并按照仿真参数在仿真模型中进行仿真；其中，仿真参数包括：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数。
在进行仿真时，需要提前设置仿真参数，如：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数，电压外环控制器参数，才能够得到相应的仿真结果，其中，电压外环控制器和电流内环控制器均是比例积分控制器(即PI控制器)，因此，电压外环控制器参数包括比例系数和积分系数，同样地，电流内环控制器参数也包括比例系数和积分系数。
S102，根据仿真结果对电压外环控制器参数进行修正，直至仿真结果满足预设条件。
在获得仿真结果后，判断反正结果是否满足预设条件，如果满足，则无需对电压外环控制器参数进行修正，如果不满足，则需要对电压外环控制器参数进行修正，每一次修正后，都根据修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，重新对仿真结果进行判断，直至仿真结果满足预设条件为止。
本实施例的双环控制器参数修正方法，设置仿真参数并按照仿真参数在仿真模型中进行仿真；其中，仿真参数包括：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数；根据仿真结果对电压外环控制器参数进行修正，直至仿真结果满足预设条件，能够根据仿真的结果适应性地修正电压外环控制器参数，提升控制性能，提高用户满意度。
实施例2
本实施例提供另一种双环控制器参数修正方法，为了设置合适的电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数，上述步骤S101，设置仿真参数，具体包括：根据输出滤波器的特性设置电压外环的截止频率和电流内环的截止频率；根据电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置电压外环控制器参数；根据电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置电流内环控制器参数。
对于电压型逆变电源而言，为了抑制开关频率处谐波成分，通常会增加输出滤波器的总电容值。但LC型滤波器本身的谐振频率会减少，使得电压外环和电流内环的截止频率必须随之减少。所以，当输出滤波器的总电容值增加时，要注意其谐振频率。一旦电压外环和电流内环的截止频率与滤波器的谐波频率比较接近，系统就可能不稳定。因此需要先计算出滤波器的谐振频率，然后再确定电压外环和电流内环的截止频率。
因此，根据输出滤波器的特性设置电压外环的截止频率和电流内环的截止频率，具体包括：获取输出滤波器的谐振频率；根据输出滤波器的谐振频率确定电压外环的截止频率，使电压外环的截止频率与输出滤波器的谐振频率之间的差值大于第一预设值；根据输出滤波器的谐振频率确定电流内环的截止频率，使电流内环的截止频率与输出滤波器的谐振频率之间的差值大于第二预设值，以免系统不稳定。需要说明的是，电流内环的截止频率小于电压外环的截止频率。
为了设置合适的电压外环控制器参数，在具体实施过程中，根据电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置电压外环控制器参数，包括：根据电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置电压外环控制器的比例系数；根据电压外环控制器的自然频率设置电压外环控制器的积分系数；其中，电压外环控制器的比例系数与电压外环控制器的阻尼系数和自然频率的乘积正相关，电压外环控制器的积分系数与电压外环控制器的自然频率正相关。
图3为根据本发明实施例的双环控制框图，其中，Ucref为输出滤波器电容上的参考电压，Uc为电容电压，kvp为电压外环控制器的比例系数，kvi为电压外环控制器的积分系数，kvp和kvi统称为电压外环控制器参数，kp为电流内环控制器的比例系数，ki为电流内环控制器的积分系数，kp和ki统称为电流内环控制器参数，L为滤波电感感值，R为线路等效电阻值，C为滤波电容容值，Rload为负载等效电阻。
为方便设置电压外环控制器参数，先忽略电流内环控制器的影响，将其传递函数等效为常数1，图4为根据本发明实施例的简化后的电压外环控制框图，根据图4所示，电压外环的开环传递函数Gopen(s)和闭环传递函数Gclose(s)分别为：
在空载情况下，此时线路等效电阻值R为无穷大。闭环传递函数Gclose(s)为二阶函数，根据标准的二阶函数来设置电压外环控制器参数。假设ω1为电压外环控制器的自然频率，ζ1为电压外环控制器的阻尼系数，则：
由上式可知，通过设置合适的自然频率ω1和阻尼系数ζ1可确定电压外环控制器参数。
类似地，为了设置合适的电流内环控制器参数，根据电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置电流内环控制器参数，具体包括：根据电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置电流内环控制器的比例系数；根据电流内环控制器的自然频率设置电流内环控制器的积分系数；其中，电流内环控制器的比例系数与电流内环控制器的阻尼系数和自然频率的乘积正相关，电流内环控制器的积分系数与电流内环控制器的自然频率正相关。
对于电流内环的参数设置，可以采用类似的方法。先忽略电压外环的影响，图5为根据本发明实施例的电流内环的控制框图，根据图5所示，电流内环的开环传递函数Giopen(s)和闭环传递函数Giclose(s)分别为：
通常情况下，线路等效电阻值R非常小，可以忽略不计。由式(5)可知，电流内环控制器的闭环传递函数也是二阶函数。参考电压外环控制器参数设置过程，可得电流内环控制器参数为：
同理，通过设置合适的自然频率ω2和阻尼系数ζ2可确定电流内环控制器参数。
在具体实施时，可以将电压外环控制器的自然频率设置为ω1＝1000rad/s(截止频率为500rad/s)，阻尼系数根据式(3)可推导出电压外环控制器的比例系数kvp＝0.20365，积分系数kvi＝144；将电流内环控制器的自然频率设置为ω2＝628rad/s(截止频率为300rad/s)，阻尼系数/>根据式(6)可推导出电流内环控制器的比例系数kp＝0.08886，积分系数ki＝39.48。
在设置完上述仿真参数后，将上述仿真参数带入仿真模型中进行仿真，为了保证最终的参数能够满足要求，根据仿真结果对电压外环控制器参数进行修正，直至仿真结果满足预设条件，包括：根据仿真结果判断超调量是否小于第一阈值；如果是，则保持当前电压外环控制器参数不变；如果否，则修正当前电压外环控制器参数，并按照修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，直至超调量小于第一阈值后，触发保持当前电压外环控制器参数不变。根据上文所述，电压外环控制器参数中包括比例系数，比例系数与阻尼系数正相关，因此，修正当前电压外环控制器参数，包括：增大电压外环控制器的阻尼系数，以增大电压外环控制器的比例系数，最终实现减小超调量。
在实际应用中，除了超调量之外，调节时间也是很重要的性能指标，因此，在保证超调量较小的基础上，为了获得更短的调节时间，根据仿真结果判断超调量是否小于第一阈值之后，上述方法还包括：如果超调量小于第一阈值，则继续判断调节时间是否小于第二阈值；如果是，则保持当前电压外环控制器参数不变；如果否，则重新修正当前电压外环控制器参数，并按照修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，直至调节时间小于第二阈值后，触发保持当前电压外环控制器参数不变。
根据上文所述，电压外环控制器参数中还包括积分系数，积分系数与电压外环控制器的自然频率正相关，因此，重新修正当前电压外环控制器参数，包括：增大电压外环控制器的自然频率，以同时增大电压外环控制器的比例系数和积分系数，最终实现缩短调节时间。
实施例3
本实施例提供一种双环控制器参数修正装置，用于实现上述双环控制器参数修正方法，图6为根据本发明实施例的双环控制器参数修正装置的结构图，如图6所示，该装置包括：
参数设置模块1，用于设置仿真参数；其中，仿真参数包括：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数。
在进行仿真时，需要通过参数设置模块1提前设置仿真参数，如：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数，电压外环控制器参数，才能够得到相应的仿真结果，其中，电压外环控制器和电流内环控制器均是比例积分控制器(即PI控制器)，因此，电压外环控制器参数包括比例系数和积分系数，同样地，电流内环控制器参数也包括比例系数和积分系数。
仿真模块2，用于按照仿真参数在仿真模型中进行仿真。
修正模块3，用于根据仿真结果对电压外环控制器参数进行修正，直至仿真结果满足预设条件。
在获得仿真结果后，判断反正结果是否满足预设条件，如果满足，则无需对电压外环控制器参数进行修正，如果不满足，则需要对电压外环控制器参数进行修正，每一次修正后，都根据修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，重新对仿真结果进行判断，直至仿真结果满足预设条件为止。
本实施例的双环控制器参数修正装置，通过参数设置模块1设置仿真参数，通过仿真模块2按照仿真参数在仿真模型中进行仿真；还通过修正模块3根据仿真结果对电压外环控制器参数进行修正，直至仿真结果满足预设条件，能够根据仿真的结果适应性地修正电压外环控制器参数，提升控制性能，提高用户满意度。
实施例4
本实施例提供另一种双环控制器参数修正装置，图7为根据本发明另一实施例的双环控制器参数修正装置的结构图，为了设置合适的电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数，上述参数设置模块1，具体包括：第一设置单元11，用于根据输出滤波器的特性设置电压外环的截止频率和电流内环的截止频率；第二设置单元12，根据电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置电压外环控制器参数；第三设置单元13，用于根据电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置电流内环控制器参数。
对于电压型逆变电源而言，为了抑制开关频率处谐波成分，通常会增加输出滤波器的总电容值。但LC型滤波器本身的谐振频率会减少，使得电压外环和电流内环的截止频率必须随之减少。所以，当输出滤波器的总电容值增加时，要注意其谐振频率。一旦电压外环和电流内环的截止频率与滤波器的谐波频率比较接近，系统就可能不稳定。因此需要先计算出滤波器的谐振频率，然后再确定电压外环和电流内环的截止频率。
因此，第一设置单元11具体用于：获取输出滤波器的谐振频率；根据输出滤波器的谐振频率确定电压外环的截止频率，使电压外环的截止频率与输出滤波器的谐振频率之间的差值大于第一预设值；以及，根据输出滤波器的谐振频率确定电流内环的截止频率，使电流内环的截止频率与输出滤波器的谐振频率之间的差值大于第二预设值，以免系统不稳定。需要说明的是，电流内环的截止频率小于电压外环的截止频率。
为了设置合适的电压外环控制器参数，上述第二设置单元12，具体用于：根据电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置电压外环控制器的比例系数；根据电压外环控制器的自然频率设置电压外环控制器的积分系数；其中，电压外环控制器的比例系数与电压外环控制器的阻尼系数和自然频率的乘积正相关，电压外环控制器的积分系数与电压外环控制器的自然频率正相关。
类似地，为了设置合适的电流内环控制器参数，上述第三设置单元13，具体用于：根据电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置电流内环控制器的比例系数；根据电流内环控制器的自然频率设置电流内环控制器的积分系数；其中，电流内环控制器的比例系数与电流内环控制器的阻尼系数和自然频率的乘积正相关，电流内环控制器的积分系数与电流内环控制器的自然频率正相关。
在设置完上述仿真参数后，通过仿真模块2将上述仿真参数带入仿真模型中进行仿真，为了保证最终的参数能够满足要求，上述修正模块3包括：第一判断单元31，用于根据仿真结果判断超调量是否小于第一阈值，控制单元32，用于在超调量小于第一阈值时，控制当前电压外环控制器参数保持不变；修正单元33，用于在超调量大于或等于第一阈值时，新修正当前电压外环控制器参数，此时仿真模块2按照修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，直至判断单元31判定超调量小于第一阈值后，触发控制单元32控制当前电压外环控制器参数保持不变。根据上文所述，电压外环控制器参数中包括比例系数，比例系数与阻尼系数正相关，因此，修正单元33具体用于：增大电压外环控制器的阻尼系数，以增大电压外环控制器的比例系数，最终实现减小超调量。
在实际应用中，除了超调量之外，调节时间也是很重要的性能指标，因此，在保证超调量较小的基础上，为了获得更短的调节时间，上述修正模块3还包括第二判断单元34：用于在超调量小于第一阈值时，继续判断调节时间是否小于第二阈值；在调节时间小于第二阈值时，控制单元32控制当前电压外环控制器参数保持不变；在调节时间大于或等于第二阈值时，修正单元33重新修正当前电压外环控制器参数，并按照修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，直至调节时间小于第二阈值后，触发控制单元32控制当前电压外环控制器参数保持不变。
根据上文所述，电压外环控制器参数中还包括积分系数，积分系数与电压外环控制器的自然频率正相关，因此，修正单元33还具体用于：增大电压外环控制器的自然频率，以同时增大电压外环控制器的比例系数和积分系数，最终实现缩短调节时间。
实施例5
本实施例提供另一种双环控制器参数修正方法，图8为根据本发明另一实施例的双环控制器参数修正方法的流程图，如图8所示，该方法包括：
S1，根据输出滤波器的特性设置电压外环的截止频率和电流内环的截止频率。
对于电压型逆变电源而言，为了抑制开关频率处谐波成分，通常会增加输出滤波器的总电容值。但LC型滤波器本身的谐振频率会减少，使得电压外环和电流内环的截止频率必须随之减少。所以，当输出滤波器的总电容值增加时，要注意其谐振频率。一旦电压外环和电流内环的截止频率与滤波器的谐波频率比较接近，系统就可能不稳定。因此需要先计算出滤波器的谐振频率，然后再确定电压外环和电流内环的截止频率。
以一种实验样机为例来设置控制器参数，在实验平台中，数字信号处理器DSP的采样频率为6kHz，变流器的输出滤波器采用三角形接法，输出滤波器的总电感值L为0.1mH，总电容值C为48uF，输出滤波器的谐振频率为1.3kHz左右，离开关频率3kHz非常比较接近。根据LC的幅频特性可知，该滤波器对开关频率处以及附近谐波成分的抑制效果有限。电压电流双环控制器应该选择较小的截止频率来抑制反馈中的谐波成分。尤其是电流内环控制器应该选择更小的截止频率(相对电压外环)，因为电感电流中含有大量的谐波成分。类似地，可以按照上述方法设置电压外环的参数。由于变流器的输出电压经过滤波器之后，其中的谐波成分被抑制了，电容电压所含的谐波分量相对较小，电压外环控制器可以选择较高的截止频率来提高其动态性能。
S2，结合标准二阶系统的特性设置电压外环控制器参数和电流内环控制器参数。
离网模式下，变流器作为逆变电源，为负载提供正弦的交流电压。在该模式下，变流器采用电压电流双环控制策略来跟踪参考电压，在上文中提及的图3中，Ucref为输出滤波器电容上的参考电压，Uc为电容电压，kvp为电压外环控制器的比例系数，kvi为电压外环控制器的积分系数，kvp和kvi统称为电压外环控制器参数，kp为电流内环控制器的比例系数，ki为电流内环控制器的积分系数，kp和ki统称为电流内环控制器参数，L为滤波电感感值，R为线路等效电阻值，C为滤波电容容值，Rload为负载等效电阻。
为方便设置电压外环控制器参数，先忽略电流内环控制器的影响，将其传递函数等效为常数1，在上文提及的图4中，电压外环的开环传递函数Gopen(s)和闭环传递函数Gclose(s)分别为：
在空载情况下，此时线路等效电阻值R为无穷大。闭环传递函数Gclose(s)为二阶函数，根据标准的二阶函数来设置电压外环控制器参数。假设ω1为电压外环控制器的自然频率，ζ1为电压外环控制器的阻尼系数，则：
由上式可知，通过设置合适的自然频率ω1和阻尼系数ζ1可确定电压外环控制器参数。
对于电流内环的参数设置，可以采用类似的方法。先忽略电压外环的影响，在上文提及的图5中，电流内环的开环传递函数Giopen(s)和闭环传递函数Giclose(s)分别为：
通常情况下，线路等效电阻值R非常小，可以忽略不计。由式(5)可知，电流内环控制器的闭环传递函数也是二阶函数。参考电压外环控制器参数设置过程，可得电流内环控制器参数为：
同理，通过设置合适的自然频率ω2和阻尼系数ζ2可确定电流内环控制器参数。
根据上文所述，电压外环器和电流内环控制器都是PI控制器，因此电压外环系统和电流内环系统都是二阶系统，均需设置比例系数和积分系数。因此，可以通过二阶系统的性能指标来衡量控制器的性能，即控制器的比例系数和积分系数是否合理。超调量、调节时间是二阶系统的两个重要的指标。二阶系统的超调量与阻尼系数ζ相关，当自然频率ωn一定时，阻尼系数ζ越大，超调量越小。当阻尼系数一定时，自然频率ωn越大，调节时间越短。由于电压外环和电流内环的反馈量(电容电压和电感电流)中都含有谐波成分，对二阶系统的滤波性能也有要求。当阻尼系数ζ一定时，二阶系统的截止频率与自然频率ωn成正比。因此，自然频率ωn越大，二阶系统的滤波性能越差。
通过以上分析可知，二阶系统的超调量、调节时间和滤波性能之间相互制约，不能同时达到满意的结果。当阻尼系数ζ大于1(过阻尼)时，系统响应缓慢，所以，一般不考虑过阻尼的情况(0＜ζ＜1)。根据工程经验，通常最初阻尼系数取为0.707。
在本实施例中，将电流内环控制器的自然频率设置为ω2＝628rad/s(截止频率为300rad/s)，阻尼系数根据式(6)可推导出电流内环控制器的比例系数kp＝0.08886，积分系数ki＝39.48。同理，将电压外环控制器的自然频率设置为ω1＝1000rad/s(截止频率为500rad/s)，阻尼系数/>根据式(3)可推导出电压外环控制器的比例系数kvp＝0.20365，积分系数kvi＝144。
S3，将设置的截止频率和控制器参数带入仿真模型中进行仿真。
将上述设置的控制器参数带入Matlab或Simulink搭建的仿真模型中，图9为根据本发明实施例的仿真结果的波形图，其中，9(a)为两相电容线电压的波形图，9(b)为电容线电压d轴分量和参考指令的波形图。根据图9可知，仿真结果的稳态和动态特性与标准二阶系统的阶跃响应曲线非常相似。图10为根据本发明实施例的电容电压的谐波畸变率THD值的统计图，由图10可知，开关频率(60次谐波)附近处的谐波含量较大，这是由于输出滤波器对开关频率处以及附近的谐波成分的抑制效果有限。不过，低频段单次谐波的THD值都小于1.2％。仿真结果与理论分析基本吻合。所以，电压外环参数和电流内环参数设置是合理的。
S4，根据仿真结果判断超调量是否小于第一阈值，如果是，则执行步骤S6，如果否，则执行步骤S5。
S5，增大电压外环控制器的阻尼系数，然后返回步骤S3。
尽管双环控制使得电容电压跟踪上电压参考指令，但输出电压的超调量较大、调节时间长。需要修正双环控制器的参数，改善输出电压的波形。根据仿真结果判断超调量是否小于第一阈值，如果是，则说明电压外环控制器比例系数合理，则继续判断调节时间是否合理，进而判断积分系数是否合理，如果否，则需要调节阻尼系数，进而调整电压外环控制器的比例系数。
根据标准二阶函数的特性可知，阻尼系数ζ越大，超调量越小。闭环极点距虚轴的距离(即自然频率ωn与阻尼系数ζ的乘积)越大，调节时间越短。因此，可以通过增加阻尼系数和自然频率来改善控制器的性能。由于电压外环器和电流内环控制器都是比例积分PI控制器，因此电压外环系统和电流内环系统都是二阶系统，均需设置比例系数和积分系数两个参数，因此整个双环控制器参数调节的范围相对较宽。因此，在本实施例中，先不调节电流内环控制器参数，只改变电压外环控制器参数。通过增加电压外环控制器的阻尼系数，通过仿真对比不同参数下输出电压的超调量，直到获得令人满意的结果为止(通常超调量小于10％)。
S6，判断调节时间是否小于第二阈值，如果是，则执行步骤S8，如果否，则执行步骤S7。
S7，增大电压外环控制器的自然频率后，返回步骤S3。
S8，控制电压外环控制器的阻尼系数和在自然频率保持当前值。
在调节完电压外环控制器的阻尼系数后，接着再分析输出电压的调节时间，如果调节时间满足预设条件(例如小于50ms)的话就不需要再增加自然频率。毕竟增加了阻尼系数，一定程度上也会减少调节时间，如果调节时间不满足预设条件，则需要在对电压外环控制器的积分系数进行修正。
S9，结束控制器参数调节。
在本实施例中，通过仿真调试，最终将电压外环控制器的比例系数增加30倍，积分系数增加4倍(即闭环传递函数的阻尼系数增加15倍，自然频率增加2倍)。值得注意的是电压外环的阻尼系数远超过1，这是由于存在电流内环，整个系统是一个高阶系统，阻尼系数可以超过1。其次，自然频率的增加会降低控制器对谐波的抑制能力。因此，在对调节时间要求不严格的情况下，也可以不增加积分系数，毕竟超调量和谐波抑制能力是优先考虑的。通过式上述(3)式计算出电压外环控制器的比例系数kvp＝6.11，积分系数kvi＝576。图11为根据本发明实施例的修正参数后的仿真结果的波形图，其中，图11(a)为修正参数后的两相电容线电压的波形图，11(b)为修正参数后的电容线电压d轴分量和参考指令的波形图，将图11(a)、图11(b)图9(a)图9(b)中的波形进行分别对比后，发现控制器参数修正后，电容线电压的超调量明显减少，调节时间也减少了。图12为根据本发明实施例的修正参数后的电容电压的谐波畸变率THD值的统计图，如图12所示，低频段单次谐波的THD值都小于1％(图中只考虑50次以内的谐波)。因此，上述控制器修正方法理论上是可行的，该方法在保证系统良好的稳态性能的同时改善了其动态性能。
为了验证该方法在实际应用中的可行性和有效性，在与仿真模型一对一的实物平台进行验证，实际输出滤波器的参数设置和修正过程与仿真过程中是相同的。变流器电压电流双环控制器采用修正后的参数并进行实验验证，图13为根据本发明实施例的实验结果的波形图，其中横轴为时间，纵轴为电容线电压。如图13所示，实验结果的波形图与图11(a)中的电容线电压波形基本一致，超调量很小。
下表1为根据本发明实施例的实验结果的电容电压的THD值统计表：
表1实验结果的电容电压的THD值统计表
注：Order表示谐波次数，U1表示各谐波成分(包括基波)的电压，Uhdf1表示各次谐波成分的畸变率。
如表1所示，实验结果中，低频段单次谐波的畸变率都小于0.5％，开关频率附近的谐波含量相对较高。
综上所述，本发明所提出的方法无论是理论上还是实际应用中都是可行的且有效的。该方法能够快速确定电压电流双环控制器的参数，避免反复试凑控制器参数，具有非常重要的工程意义。与此同时，该方法也能保证整个系统获得良好的动态性能和稳态性能。
实施例6
本实施例提供一种变流器，包括上述实施例中的双环控制器参数修正装置，用于修正双环控制器参数，以实现更准确、快速地调节变流器的输出。
实施例7
本实施例提供一种发电系统，包括实施例6中的变流器，用于提升整个发电系统的使用性能。
实施例8
本实施例提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述实施例中的双环控制器参数修正方法。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种双环控制器参数修正方法，应用于变流器，所述变流器的电力输出线连接输出滤波器，其特征在于，所述方法包括：
设置仿真参数，并按照所述仿真参数在仿真模型中进行仿真；其中，所述仿真参数包括：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数；
根据仿真结果对所述电压外环控制器参数进行修正，直至所述仿真结果满足预设条件；
所述设置仿真参数，包括：
根据所述输出滤波器的特性设置电压外环的截止频率和电流内环的截止频率，包括：
获取所述输出滤波器的谐振频率；
根据所述输出滤波器的谐振频率确定所述电压外环的截止频率，使所述电压外环的截止频率与所述输出滤波器的谐振频率之间的差值大于第一预设值；
根据所述输出滤波器的谐振频率确定所述电流内环的截止频率，使所述电流内环的截止频率与所述输出滤波器的谐振频率之间的差值大于第二预设值；
其中，所述电流内环的截止频率小于所述电压外环的截止频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，设置仿真参数，还包括：
根据电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置电压外环控制器参数；
根据电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置电流内环控制器参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置电压外环控制器参数，包括：
根据所述电压外环控制器的阻尼系数和自然频率设置所述电压外环控制器的比例系数；
根据所述电压外环控制器的自然频率设置所述电压外环控制器的积分系数；
其中，所述电压外环控制器的比例系数与所述电压外环控制器的阻尼系数和自然频率的乘积正相关，所述电压外环控制器的积分系数与所述电压外环控制器的自然频率正相关。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置电流内环控制器参数，包括：
根据所述电流内环控制器的阻尼系数和自然频率设置所述电流内环控制器的比例系数；
根据所述电流内环控制器的自然频率设置所述电流内环控制器的积分系数；
其中，所述电流内环控制器的比例系数与所述电流内环控制器的阻尼系数和自然频率的乘积正相关，所述电流内环控制器的积分系数与所述电流内环控制器的自然频率正相关。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据仿真结果对所述电压外环控制器参数进行修正，直至所述仿真结果满足预设条件，包括：
根据仿真结果判断超调量是否小于第一阈值；
如果是，则保持当前电压外环控制器参数不变；
如果否，则修正当前电压外环控制器参数，并按照修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，直至所述超调量小于第一阈值后，触发保持当前电压外环控制器参数不变。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，修正当前电压外环控制器参数，包括：
增大所述电压外环控制器的阻尼系数，以增大所述电压外环控制器的比例系数。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据仿真结果判断超调量是否小于第一阈值之后，所述方法还包括：
如果超调量小于第一阈值，则继续判断调节时间是否小于第二阈值；
如果是，则保持当前电压外环控制器参数不变；
如果否，则重新修正当前电压外环控制器参数，并按照修正后的电压外环控制器参数重新进行仿真，直至所述调节时间小于第二阈值后，触发保持当前电压外环控制器参数不变。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，重新修正当前电压外环控制器参数，包括：
增大所述电压外环控制器的自然频率，以同时增大所述电压外环控制器的比例系数和积分系数。
9.一种双环控制器参数修正装置，用于实现权利要求1至8中任一项所述的双环控制器参数修正方法，其特征在于，所述装置包括：
参数设置模块，用于设置仿真参数；
仿真模块，用于按照所述仿真参数在仿真模型中进行仿真；其中，所述仿真参数包括：电压外环的截止频率、电流内环的截止频率、电压外环控制器参数以及电流内环控制器参数；
修正模块，用于根据仿真结果对所述电压外环控制器参数进行修正，直至所述仿真结果满足预设条件。
10.一种变流器，其特征在于，包括权利要求9所述的双环控制器参数修正装置。
11.一种发电系统，其特征在于，包括权利要求10所述的变流器。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1至8中任一项所述的方法。
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