CN116388152A - 一种基于暂稳态协同的混合mmc虚拟惯性控制策略 - Google Patents

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CN116388152A CN202310173498.0A CN202310173498A CN116388152A CN 116388152 A CN116388152 A CN 116388152A CN 202310173498 A CN202310173498 A CN 202310173498A CN 116388152 A CN116388152 A CN 116388152A
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Abstract

本发明公开了模块化多电平换流器技术领域的一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,所述控制策略包括附带虚拟电感控制策略的直流环与附带虚拟电容控制策略的交流环。本发明控制策略可以增加在直流故障下子模块电容电压的惯性,使之快速回到设定值,又可以增加在稳态负荷波动下直流电压的惯性,增强其抗干扰能力;暂态过程下的短路电流可以降低至原来的40%,子模块电容电压波动峰值降低至原来的一半,在稳态过程下,当负荷发生扰动时,直流电压波动减少至原来的一半,本控制策略具有优越性。

Description

一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略
技术领域
本发明属于模块化多电平换流器技术领域,具体涉及一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略。
背景技术
柔性直流电网是现代电网发展的重要方向,其中模块化多电平换流器凭借谐波含量少、开关频率低、可靠性高等优势已经在柔性直流工程中广泛应用。然而,由于换流站设备高度电力电子化,具有“低惯性,弱阻尼”的特征。当发生负荷波动时,极易引起直流电压的剧烈波动,严重时会导致直流电网失稳。对直流电网的安全运行带来极大的隐患。同时,当直流侧发生双极短路故障时,子模块电容中存储能量连同交流能量一同向短路点馈入,将导致短路电流迅速上升至额定电流的数倍甚至数十倍,给电力系统的运行以及换流站中的电力电子器件带来严重的危害。
采用基于直流电压的虚拟惯性环节可以增强直流电网的惯性,提高其稳态下的抗扰动能力。但当直流侧发生双极短路故障时,惯性环节会持续的为直流系统馈入能量,加快故障电流的上升。而采用混合MMC的主动限流控制,虽然可以隔离直流故障,完成故障穿越,但在故障初始阶段存在一定的动作“死区”,在初始阶段内故障电流的升高便足以使得换流站闭锁。而在穿越环节采用的电压前馈控制来解决“死区”时间又会加剧稳态下直流电压的波动。
稳态下的惯性环节与暂态下的穿越环节,控制逻辑相互矛盾,在控制上往往表现出顾此失彼的情况,因此如何协调稳态惯性控制环节与暂态穿越控制环节,使得彼此可以互相兼顾,对增加电网惯性,增强其抗干扰能力,并进行故障穿越,为交流系统提供一定支撑能力,具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,以解决上述背景技术中提出的问题。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现:
一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,所述控制策略包括附带虚拟电感控制策略的直流环与附带虚拟电容控制策略的交流环,其特征在于,所述直流环的输入量包括直流电流的设定值idcref,直流电流的反馈值idc,换流器出口侧的直流电压Udc,直流电压的设定值Udcref,子模块电容电压额定值Ucn,所述交流环的输入量包括子模块电容电压的设定值Ucn_ref,子模块电容电压反馈值的平均值Uc_avg,换流器出口侧的直流电压Udc,交流侧三相电流经过dq变换后的电流反馈值isd,isq,交流侧三相电压经过dq变换后的电压反馈值usd,usq
当MMC未切换至故障穿越模式时,直流电流设定值idcref的平方减去直流电流反馈值idc的平方后,得到的信号与将该信号经过一阶低通滤波环节1/(1+sT)后的信号作差,再乘Lvir/2T,得到虚拟电感上的能量ΔP,将ΔP与直流电流idc相除得到虚拟电感上的压降ΔU,此时,该信号到达滞环比较环节,通过比较直流电压Udc与阈值的大小,若大于阈值,则将该信号置0,直流环直接由直流电压的设定值Udcref除以子模块电容电压额定值Ucn输出,若小于阈值,则将直流电压的设定值Udcref与虚拟电感上的压降ΔU作差后除以子模块电容电压的额定值Ucn得到直流侧投入子模块数量M;
所述直流电压设定值Ucn_ref的平方减去直流电压反馈值Uc_avg的平方后,得到的信号与将该信号经过一阶低通滤波环节1/(1+sT)后的信号作差,再乘Cvir/(3Tusd),得到虚拟电容上的能量ΔP,将ΔP与直流电压相除得到虚拟电容上的有功电流Δidvir,此时,该信号到达动态限幅环节,若Δidvir大于设定的最大值时,则限幅环节上限设置为0,下限设置为无穷大,当Δidvir小于设定的最小值时,则限幅环节下限设置为0,上限设置为无穷大,当Δidvir处在限幅环节设定值之间时,不对其做限幅处理,传统的混合MMC有功外环为将子模块电容电压的设定值与子模块电容电压反馈值的平均值作差后经PI环节得到有功电流idSM,将有功电流与虚拟有功电流相加后得到电流内环的有功设定值id *
本发明的有益效果:
1、本发明控制策略包括直流控制环中的附加虚拟电感控制与交流控制环中的附加基于子模块电容的虚拟惯性控制环,附加虚拟电感控制相当于在换流器出口测串联一个等效虚拟电感,可以减小在故障初始阶段,即故障发生至保护装置检测到故障并发出穿越控制信号前的短路电流,附加基于子模块电容的虚拟惯性控制环相当于在子模块电容两端并联一个等效虚拟电容,既可以增加在直流故障下子模块电容电压的惯性,使之快速回到设定值,又可以增加在稳态负荷波动下直流电压的惯性,增强其抗干扰能力;
2、本发明控制策略为了实现暂稳态控制环互不影响,在虚拟电感出口侧增设滞环比较环节,同时为了解决电压惯性较大时调节时间过长的问题,在基于子模块电容的虚拟惯性环节中添加自适应动态限幅环节;
3、本发明控制策略从仿真结果来看,暂态过程下的短路电流可以降低至原来的40%,子模块电容电压波动峰值降低至原来的一半,在稳态过程下,当负荷发生扰动时,直流电压波动减少至原来的一半,本控制策略具有优越性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明中混合MMC拓扑结构图;
图2是本发明中换流器出口侧等效模型图;
图3是本发明中基于虚拟电感的直流控制环图;
图4是本发明中滞环比较环节示意图;
图5是本发明中基于子模块电容的虚拟惯性分析示意图;
图6是本发明中自适应限幅示意图;
图7是本发明中基于子模块电容电压的虚拟惯性示意图;
图8是本发明中直流双极短路故障下直流电流波形图;
图9是本发明中直流双极短路故障下子模块电容电压平均值波形图;
图10是本发明中负荷波动下直流电压波形图。
具体实施方式
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,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作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。
本发明提出一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,控制策略不仅可以解决故障初始阶段短路电流过大的问题,增强稳态下直流电网的惯性,还能做到暂稳态控制环节互不影响。
控制策略包括附带虚拟电感控制策略的直流环与附带虚拟电容控制策略的交流环:
其中,直流环的输入量包括直流电流的设定值idcref,直流电流的反馈值idc,换流器出口侧的直流电压Udc,直流电压的设定值Udcref,子模块电容电压额定值Ucn
当MMC未切换至故障穿越模式时。直流电流设定值idcref的平方减去直流电流反馈值idc的平方后,得到的信号与将该信号经过一阶低通滤波环节1/(1+sT)后的信号作差,再乘Lvir/2T,得到虚拟电感上的能量ΔP,将ΔP与直流电流idc相除得到虚拟电感上的压降ΔU,此时,该信号到达滞环比较环节,通过比较直流电压Udc与阈值的大小,若大于阈值,则将该信号置0,直流环直接由直流电压的设定值Udcref除以子模块电容电压额定值Ucn输出,若小于阈值,则将直流电压的设定值Udcref与虚拟电感上的压降ΔU作差后除以子模块电容电压的额定值Ucn得到直流侧投入子模块数量M。
交流环的输入量包括子模块电容电压的设定值Ucn_ref,子模块电容电压反馈值的平均值Uc_avg,换流器出口侧的直流电压Udc,交流侧三相电流经过dq变换后的电流反馈值isd,isq。交流侧三相电压经过dq变换后的电压反馈值usd,usq
直流电压设定值Ucn_ref的平方减去直流电压反馈值Uc_avg的平方后,得到的信号与将该信号经过一阶低通滤波环节1/(1+sT)后的信号作差,再乘Cvir/(3Tusd),得到虚拟电容上的能量ΔP,将ΔP与直流电压相除得到虚拟电容上的有功电流Δidvir。此时,该信号到达动态限幅环节,若Δidvir大于设定的最大值时,则限幅环节上限设置为0,下限设置为无穷大,当Δidvir小于设定的最小值时,则限幅环节下限设置为0,上限设置为无穷大。当Δidvir处在限幅环节设定值之间时,不对其做限幅处理。传统的混合MMC有功外环为将子模块电容电压的设定值与子模块电容电压反馈值的平均值作差后经PI环节得到有功电流idSM,将有功电流与虚拟有功电流相加后得到电流内环的有功设定值id *
换流站拓扑为全半桥混合的MMC拓扑,如图1所示,为了能够实现故障穿越,变流器采用混合MMC拓扑结构,每半个桥臂均由相等数量的半桥子模块与全桥子模块构成。由于全桥子模块可以反向投入桥臂当中,可以实现全半桥子模块电容电压相互抵消,从而对外显示出直流侧零电压的特性。
根据暂态短路故障时序逻辑,在故障初始阶段,即发生直流双极性短路故障到穿越控制策略启动前,会有1-3ms的时间延时供保护装置判断动作是否发生并下达控制模式切换指令;在暂态过程当中,虚拟电感控制策略旨在抑制该阶段内故障电流的上升,防止换流站闭锁;原理为增加换流站出口侧的等效电抗来实现。其等效模型图如图2所示,以双端直流输电系统为例来说明虚拟电感的工作原理,其中换流器交流侧接交流电网,直流侧接直流输电线路,换流器出口侧设有电抗器。
当直流侧发生双极短路故障时,其等效KVL方程式如下式:
Figure BDA0004099992910000051
式中,Uin为换流站出口侧电压,idc为直流电流,R为线路等效电阻,L为线路电感,Uout为对侧换流器直流侧电压;
当发生直流双极短路故障时,Uout降为0,得到下式:
Figure BDA0004099992910000061
此时若要减小电流变化率,可以通过增大线路电感的方式,得到下式:
Figure BDA0004099992910000062
式中,Lvir为虚拟等效电感,将上式简化之后得到下式:
Figure BDA0004099992910000063
化为电压表达式之后得到下式:
Figure BDA0004099992910000064
对于变流器来说,控制量即为换流器出口侧直流电压,因此,控制器直流输出量如下式:
Figure BDA0004099992910000065
式中,第二项即为虚拟电感在电压上的表达式。
在控制环的构造上,由于微分项会受到高频信号的干扰,因此在构造上应适当增大计算时的采样时间差,以差值来代替微分项,以减小高频信号的干扰。同时由于直流电流正常工作时在额定值附近,将上式修改为:
Figure BDA0004099992910000066
式中,T为采样周期,idcN为电流稳态额定值。
在混合MMC的控制环当中,直流控制环决定了映射至直流侧的子模块数量,进而影响MMC的直流电压,因此,将虚拟电感的表达式转换至控制环当中,如图3所示,为了能够实现暂稳态的协调控制,即保证暂态控制环不会在稳态运行时起作用,在控制环的出口侧设置滞环比较环节,当直流电压大于0.7p.u时,认为线路仍正常工作,仅为负荷波动引起的电压波动;当直流电压小于0.7p.u时,认为线路不在正常工作范围,即发生了直流短路故障,因此虚拟电感环节投入工作,抑制短路电流的上升。为了增强一定的抗干扰性,防止因采样误差而导致误动作,比较环节设置一定的带宽,即当直流电压小于0.69p.u时,虚拟电感控制环启动;当直流电压大于0.71p.u时,虚拟电感环节不启动。滞环比较环节如图4所示。
对于混合MMC的稳态环节,针对直流电压惯性较弱的特点,采用基于子模块电容电压的虚拟惯性控制;以单相MMC为例,当负荷侧功率发生扰动时,送受端功率不平衡将导致MMC子模块电容电压放电,进而导致直流母线电压升高或降低,为减小直流电压的波动,在控制上采用基于子模块电容电压的虚拟惯性环节,在负荷突变时为直流电网提供额外的功率支撑,如图5所示。
此时交直流侧的功率平衡关系可以表示为:
Figure BDA0004099992910000071
式中,Pci为第i个子模块所提供的功率,Pvirci为第i个子模块增加的惯性功率。由上式可得,当加入虚拟惯性控制后,负荷扰动下功率偏差值可由子模块电容电压中的功率Pc与惯性功率Pvirc共同平衡,因此,在相同的功率波动下,子模块电容充放电的功率将减小。子模块电容电压波动减小,即提高了直流系统的惯性。类比子模块电容电压,惯性功率的表达式可表示为下式:
Figure BDA0004099992910000072
式中,Cvirci为第i个个子模块的虚拟惯性系数,uci为第i个子模块电容电压。通过改变虚拟惯性系数即可调整虚拟功率的大小。为了简化控制,用子模块平均功率替代每个子模块的功率,用子模块平均电压代替每个子模块电容电压。上式进行简化得:
Figure BDA0004099992910000073
其中,Pvirc_avg为子模块平均惯性功率,uc_avg为子模块平均电容电压,Cvirc_avg为子模块平均惯性系数,N为半桥臂子模块数量,也即同一时刻投入运行的子模块数量。
将上式进行积分操作可得:
Figure BDA0004099992910000081
对于微分项来说,其数值等于两次采样点间子模块电容电压的差值,其中T为采样周期。由于母线电压均在额定值附近,因此将上式修改为
Figure BDA0004099992910000082
对于微分环节来说,易受到高频信号的干扰,因此在控制上,应适当增大计算时的采样时间差,以插值形式来代替微分项,以减弱高频信号的干扰。同时,针对增加惯性环节后,子模块电容电压调节时间变长的问题,提出自适应动态限幅方案,自适应限幅示意图如图6所示。
图6中,Uc_ref为子模块电容电压设定值;当子模块电容电压均值大于设定值时,设置惯性环节的上限为0,下限设置为无穷大。当子模块电容电压均值小于设定值时,惯性环节下限设置为0,上限设置为无穷大。0至t1时间内,惯性环节输出为负,输出不受限制。t1至t2时间内,惯性环节输出为正,限幅为0后视为惯性环节自关断。t2至t3时间内,惯性环节输出为正,输出不受限制。t3至t4时间内,惯性环节输出为负,限幅为0后视为惯性环节自关断。如此即可使惯性环节在适当时间投入,减小调节时间。
当发生直流双极短路故障时,由于全桥子模块的反向投入,直流功率快速降为0,而交流功率会在PI控制环的作用下缓慢降低至0,能量差额会因此聚积在子模块电容当中,导致子模块电容电压的升高。而基于子模块电容的虚拟惯性控制在物理意义上增加了子模块的电容值,在暂态下对于抑制子模块电容电压的波动同样具有良好的效果。因此,该控制环能够实现暂稳态的协同。
针对不同的场景,搭建仿真模型来验证所提控制环的结果。在稳态下,子模块电容电压的平均值为2.0p.u,直流电流为1.0p.u,在4s时发生直流双极短路故障,3ms之后控制模式切换为穿越控制策略。得到未加控制环与添加控制环下直流故障电流波形的对比如图8所示。
图9为故障发生时子模块电容电压平均值的波形,当虚拟电容参数增大时,子模块电容电压平均值的峰值逐渐减小,同时由于动态限幅环节的存在,电压的调节时间与为加虚拟惯性时的调节时间相当。
在暂态下做直流负荷扰动以验证基于子模块电容的虚拟惯性控制环,直流电压的稳态值为400kv,直流负荷默认值为400MW,在4s时,直流负荷由400MW变为100MW,在6s时,直流负荷由100MW变为400MW;得到直流电压波形如图10所示。
在本说明书的描述中,参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,所述控制策略包括附带虚拟电感控制策略的直流环与附带虚拟电容控制策略的交流环,其特征在于,所述直流环的输入量包括直流电流的设定值idcref,直流电流的反馈值idc,换流器出口侧的直流电压Udc,直流电压的设定值Udcref,子模块电容电压额定值Ucn,所述交流环的输入量包括子模块电容电压的设定值Ucn_ref,子模块电容电压反馈值的平均值Uc_avg,换流器出口侧的直流电压Udc,交流侧三相电流经过dq变换后的电流反馈值isd,isq,交流侧三相电压经过dq变换后的电压反馈值usd,usq
当MMC未切换至故障穿越模式时,直流电流设定值idcref的平方减去直流电流反馈值idc的平方后,得到的信号与将该信号经过一阶低通滤波环节1/(1+sT)后的信号作差,再乘Lvir/2T,得到虚拟电感上的能量ΔP,将ΔP与直流电流idc相除得到虚拟电感上的压降ΔU,此时,该信号到达滞环比较环节,通过比较直流电压Udc与阈值的大小,若大于阈值,则将该信号置0,直流环直接由直流电压的设定值Udcref除以子模块电容电压额定值Ucn输出,若小于阈值,则将直流电压的设定值Udcref与虚拟电感上的压降ΔU作差后除以子模块电容电压的额定值Ucn得到直流侧投入子模块数量M;
所述直流电压设定值Ucn_ref的平方减去直流电压反馈值Uc_avg的平方后,得到的信号与将该信号经过一阶低通滤波环节1/(1+sT)后的信号作差,再乘Cvir/(3Tusd),得到虚拟电容上的能量ΔP,将ΔP与直流电压相除得到虚拟电容上的有功电流Δidvir,此时,该信号到达动态限幅环节,若Δidvir大于设定的最大值时,则限幅环节上限设置为0,下限设置为无穷大,当Δidvir小于设定的最小值时,则限幅环节下限设置为0,上限设置为无穷大,当Δidvir处在限幅环节设定值之间时,不对其做限幅处理,传统的混合MMC有功外环为将子模块电容电压的设定值与子模块电容电压反馈值的平均值作差后经PI环节得到有功电流idSM,将有功电流与虚拟有功电流相加后得到电流内环的有功设定值id *
2.根据权利要求1所述的一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,其特征在于,在暂态过程当中,为防止换流站闭锁,增加换流站出口侧的等效电抗。
3.根据权利要求1所述的一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,其特征在于,当直流侧发生双极短路故障时,其等效KVL方程式如下式:
Figure QLYQS_1
式中,Uin为换流站出口侧电压,idc为直流电流,R为线路等效电阻,L为线路电感,Uout为对侧换流器直流侧电压,当发生直流双极短路故障时,Uout降为0;
减小电流变化率,需要增大线路电感,转换简化后控制器直流输出量为:
Figure QLYQS_2
式中,Lvir为虚拟等效电感,第二项即为虚拟电感在电压上的表达式。
4.根据权利要求3所述的一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,其特征在于,在控制环的构造上应增大计算时的采样时间差,以差值来代替微分项,以减小高频信号的干扰,同时由于直流电流正常工作时在额定值附近,将所述控制器直流输出量公式修改为:
Figure QLYQS_3
式中,T为采样周期,idcN为电流稳态额定值。
5.根据权利要求4所述的一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,其特征在于,将虚拟电感的表达式转换至控制环当中,在控制环的出口侧设置滞环比较环节,当直流电压大于0.7p.u时,认为线路仍正常工作,仅为负荷波动引起的电压波动;当直流电压小于0.7p.u时,认为线路不在正常工作范围,即发生了直流短路故障,因此虚拟电感环节投入工作,抑制短路电流的上升,当直流电压小于0.69p.u时,虚拟电感控制环启动;当直流电压大于0.71p.u时,虚拟电感环节不启动。
6.根据权利要求1所述的一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,其特征在于,对于混合MMC的稳态环节,针对直流电压惯性较弱的特点,采用基于子模块电容电压的虚拟惯性控制,此时交直流侧的功率平衡关系表示为:
Figure QLYQS_4
式中,Pci为第i个子模块所提供的功率,Pvirci为第i个子模块增加的惯性功率;
惯性功率的表达式简化后如下:
Figure QLYQS_5
式中,Cvirci为第i个个子模块的虚拟惯性系数,uci为第i个子模块电容电压,Pvirc_avg为子模块平均惯性功率,uc_avg为子模块平均电容电压,Cvirc_avg为子模块平均惯性系数,N为半桥臂子模块数量,也即同一时刻投入运行的子模块数量。
7.根据权利要求6所述的一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,其特征在于,由于母线电压均在额定值附近,将所述惯性功率的表达式进行积分操作修改后得:
Figure QLYQS_6
式中,T为采样周期。
8.根据权利要求7所述的一种基于暂稳态协同的混合MMC虚拟惯性控制策略,其特征在于,对于微分环节,在控制上应增大计算时的采样时间差,以插值形式来代替微分项,从而减弱高频信号的干扰。
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