CN116470773B - 一种变换器的比例积分参数计算方法及系统 - Google Patents

一种变换器的比例积分参数计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种变换器的比例积分参数计算方法及系统，所述方法通过获取变换器的系统类型，确定计算比例积分参数的方式，如果系统类型为多阶系统，则进行信号频率筛选，以得到扰动信号，然后将扰动信号添加至变换器的输入端，并获取扰动信号模型，所述扰动信号模型可以根据变换器输出的变换器参数生成。再通过扰动信号模型运行函数算法，得到传递函数，最后根据传递函数计算比例积分参数。本申请通过在输入端添加扰动信号的方式，根据输入电压和输出电压的差异获取扰动信号模型，从而根据函数算法生成传递函数，可减小得到传递函数的计算量，简化得到传递函数的计算过程，提高计算比例积分参数的准确率。

Description

一种变换器的比例积分参数计算方法及系统
技术领域
本申请涉及电力系统控制技术领域，尤其涉及一种变换器的比例积分参数计算方法及系统。
背景技术
直流配电网可以有效提高电能质量，减少电力电子换流器的使用，并降低电能损耗和运行成本、协调大电网与分布式电源之间的矛盾。直流配电网因为线损小、可靠性高、无需相频控制、接纳分布式电源能力强等特点，比交流配电网更加稳定。在直流配电网中，双向直流-直流变换器是核心控制设备，双向直流-直流变换器可以选取双有源桥变换器，双有源桥变换器以其功率密度高、调控速度快、能量双向流动等优点，已成为工业应用中最为适用的直流变换器之一。
双有源全桥变换器可以应用比例控制器、积分控制器以及比例积分控制器来对其控制。但是，对于比例控制器和积分控制器，会在控制系统进入稳态后存在稳态误差，影响控制系统的稳定性。为了消除稳态误差，可以采用比例积分控制器来对双有源全桥变换器执行控制。
经过对双有源全桥变换器的数学模型的分析，推导得到变换器的传递函数，并基于此提出了比例积分控制电压单环控制方法，该方法能够使得双有源全桥变换器输出的电压保持稳定。但是，通过计算传递函数的方法过于复杂，在多阶系统传递函数的计算中容易出错，造成变换器的比例积分参数计算不准确。
发明内容
为了解决在多阶系统传递函数的计算中容易出错，造成参数计算不准确的问题。
第一方面，本申请提供一种变换器的比例积分参数计算方法，所述方法包括：
获取变换器的系统类型；
如果所述系统类型为多阶系统，则进行信号频率筛选，以得到扰动信号；
将所述扰动信号添加至所述变换器的输入端，并获取扰动信号模型，所述扰动信号模型根据所述变换器输出的变换器参数生成；
通过所述扰动信号模型运行函数算法，得到传递函数；
根据所述传递函数计算比例积分参数。
在一些实施例中，所述方法还包括：
如果所述系统类型为一阶系统，则在所述一阶系统中施加阶跃信号，以扰动所述一阶系统；
根据第一电压和第二电压计算电压差；所述第一电压为施加所述阶跃信号前所述一阶系统的输出电压，所述第二电压为施加所述阶跃信号后所述一阶系统的输出电压；
根据所述电压差输入至传递函数模型中，以计算传递函数；
根据所述传递函数计算比例积分参数。
在一些实施例中，将所述扰动信号添加至所述变换器的输入端后，所述方法还包括：
根据所述扰动信号计算所述变换器的平衡变量；
根据所述平衡变量计算所述变换器的输入电流和所述变换器的输出电流；
根据所述输入电流和所述输出电流计算所述变换器的电感电流；
根据所述电感电流构建所述扰动信号模型。
在一些实施例中，所述方法还包括：
按照下式根据所述扰动信号计算所述变换器的平衡变量，所述平衡变量包括稳态时输入电压、稳态时输出电压、输入电压以及输出电压；
其中，V1为稳态时输入电压，V2为稳态时输出电压，R为变换器电阻，Cf2为输出端电容,L为变换器电感，fs为变压器的工作频率，为稳态时的移相比，v2为输出电压；
所述平衡变量表达式为：
其中，v1为输入电压，v'1为扰动信号输入电压，v'2为扰动信号输出电压，D为扰动信号移相比，D'为变换器移相比。
在一些实施例中，根据所述平衡变量计算所述变换器的输入电流和所述变换器的输出电流，所述方法还包括：
将所述平衡变量输入至以下公式中，以计算所述输入电流和所述输出电流：
其中，I1ave为输入电流，I2ave为输出电流，n为所述变换器的输入侧线圈与所述变换器的输出侧线圈的比例，Th为所述变换器的半个运行周期。
在一些实施例中，根据所述传递函数计算比例积分参数，所述方法还包括：
将所述传递函数输入至以下公式，以计算所述比例积分参数：
其中，Kp为比例参数，Ki为积分参数，G(s)为传递函数，s为s域常数，jωc为穿越频率。
在一些实施例中，所述方法还包括：
对所述比例积分参数执行参数补偿；
如果补偿后的比例积分参数大于或者等于补偿阈值，则输出补偿后的比例积分参数；
如果补偿后的比例积分参数小于补偿阈值，则重新对所述比例积分参数执行参数补偿。
在一些实施例中，对所述比例积分参数执行参数补偿，所述方法还包括：
将所述比例积分参数输入至补偿公式，所述补偿公式为：
其中，∠Gpi(s)G(s)为补偿后的比例积分参数，为所述变换器的系统相角。
在一些实施例中，所述方法还包括：
更换多组变换器参数，并重新计算多组比例积分参数；
根据多组比例积分参数计算平均比例积分参数值。
第二方面，本申请的部分实施例还提供一种变换器的比例积分参数获取系统，所述系统包括控制器和执行器，其中，所述控制器被配置为根据用户输入的控制指令，控制所述执行器执行以下步骤：
获取变换器的系统类型；
如果所述系统类型为多阶系统，则进行信号频率筛选，以得到扰动信号；
将所述扰动信号添加至所述变换器的输入端，并获取扰动信号模型，所述扰动信号模型根据所述变换器输出的变换器参数生成；
通过所述扰动信号模型运行函数算法，得到传递函数；
根据所述传递函数计算比例积分参数。
由以上方案可知，本申请提供一种变换器的比例积分参数计算方法及系统，所述方法通过获取变换器的系统类型，确定计算比例积分参数的方式，如果系统类型为多阶系统，则进行信号频率筛选，以得到扰动信号，然后将扰动信号添加至变换器的输入端，并获取扰动信号模型，所述扰动信号模型可以根据变换器输出的变换器参数生成。再通过扰动信号模型运行函数算法，得到传递函数，最后根据传递函数计算比例积分参数。本申请通过在输入端添加扰动信号的方式，根据输入电压和输出电压的差异获取扰动信号模型，从而根据函数算法生成传递函数，可减小得到传递函数的计算量，简化得到传递函数的计算过程，提高计算比例积分参数的准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例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而言，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为双有源桥变换器的电路拓扑结构示意图；
图2为PI控制器的控制工作流程图；
图3为本申请实施例提供的一种变换器的比例积分参数计算方法流程图；
图4为双有源桥变换器的简化模型结构示意图；
图5为双有源桥变换器的平均模型结构示意图；
图6为双有源桥变换器的扰动信号模型结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的和实施方式更加清楚，下面将结合本申请示例性实施例中的附图，对本申请示例性实施方式进行清楚、完整地描述，显然，描述的示例性实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。
需要说明的是，本申请中对于术语的简要说明，仅是为了方便理解接下来描述的实施方式，而不是意图限定本申请的实施方式。除非另有说明，这些术语应当按照其普通和通常的含义理解。
术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的所有组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。
直流配电网可以有效提高电能质量，减少电力电子换流器的使用，并降低电能损耗和运行成本、协调大电网与分布式电源之间的矛盾。直流配电网因为线损小、可靠性高、无需相频控制、接纳分布式电源能力强等特点，比交流配电网更加稳定。
在直流配电网中，可以使用变换器将直流配电网发出的信息按照一定的目的进行变换，变换器是直流配电网中的核心控制设备。在直流配电网中，可以使用双向直流-直流变换器，例如双有源桥变换器，双有源桥变换器具有功率密度高、调控速度快、能量双向流动等优点。
双有源桥变换器可以双向输出能量，图1为双有源桥变换器的电路拓扑结构。在图1中H1和H2均可以作为输出端，当H1为输入端时，双有源桥变换器即从H1向H2输出信号，当H2为输入端时，双有源桥变换器即H2向H1输出信号。
对于双有源桥变换器的控制，存在比例控制(P)、积分控制(I)以及比例积分控制(PI)的方式。但是，比例控制方式的控制器的输出和输入误差信号成反比例关系，因此，如果单独使用比例控制方式，变换器在达到稳态的过程中，电流逐渐下降，由于反比关系就会出现稳态误差，影响变换器的参数精度。
为了消除稳态误差，变换器需要引入积分项，即积分控制(I)，在积分控制(I)中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。因此，即使误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，从而推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。
在比例积分控制(PI)的方式中，可以使用PI控制器，PI控制器能够在变换器系统进入稳态后，消除稳态误差。图2为PI控制器的控制框图。在图2中C(s)为PI控制器，G(s)为双有源桥变换器，Vo和Vref分别是闭环系统的输出采样电压和控制参考电压，两者之间的差能够产生误差信号，误差信号可以作为PI控制器的输入。
为了提高电流的追踪精度，提出比例积分控制电压单环控制方法，该方法经过对双有源全桥变换器的数学模型的分析，推导得到变换器的传递函数，能够使双有源全桥变换器输出的电压保持稳定。但是，计算传递函数的方法过于复杂，在多阶系统传递函数的计算中容易出错，造成变换器的比例积分参数计算不准确。
为了解决在多阶系统传递函数的计算中容易出错，造成参数整定不准确的问题，本申请的部分实施例提供一种变换器的比例积分参数计算方法，如图3所示，所述方法包括：
S100：获取变换器的系统类型。
在本实施例中，变换器的系统类型可以包括一阶系统和多阶系统，一阶变换器的电路中存在一个储能原件，例如存在一个电容或一个电感，多阶变换器的电路中可以存在多个储能原件，例如存在一个电容和一个电感。如果变换器的系统为多阶系统，则执行步骤S200，如果变换器为一阶系统，则执行步骤S201-S204。
本申请实施例先对一阶系统的传递函数计算进行说明：
S201：在所述一阶系统中施加阶跃信号，以扰动所述一阶系统。
在本实施例中，由于一阶系统较为简易，因此扰动信号较少，为了向系统中输入测试信号，可以主动向一阶系统中施加阶跃信号，以扰动一阶系统，使一阶系统的输入电压和输出电压出现扰动变化。
S202：根据第一电压和第二电压计算电压差。
在出现扰动变化之后，可以根据第一电压和第二电压的电压差输入至传递函数模型中，以计算传递函数。其中，第一电压为施加阶跃信号之前一阶系统的输出电压，第二电压为施加阶跃信号之后一阶系统的输出电压。所述电压差可以反映阶跃信号对一阶系统的输出电压的差值变化。
S203：根据所述电压差输入至传递函数模型中，以计算传递函数。
在本实施例中，计算得到电压差之后，可以将电压差输入至传递函数模型中，所述传递函数模型为计算传递函数的数学模型，通过传递函数模型可以输出传递函数。在输出传递函数之后，根据传递函数计算比例积分参数。
而当变换器的系统类型为多阶系统时，执行步骤S200。
S200：进行信号频率筛选，以得到扰动信号。
在多阶系统中，由于系统较为复杂，因而存在多个扰动信号，扰动信号是影响系统输出的不利因素。扰动信号既可来自系统内部，又可来自系统外部，前者称为内部扰动，后者称为外部扰动。
在一些实施例中，为了不影响变换器的输出精度，需要对扰动信号进行筛选，因此，需要获取扰动信号的振幅频率，将可控的扰动信号作为测试变换器的测试信号输入。为了准确筛选扰动信号，减少扰动信号影响变换器的正常工作运行。在本实施例中，还可以通过设置频率阈值作为筛选依据，当扰动信号的振幅频率大于或等于振幅阈值时，说明该扰动信号对变换器的影响较大，不应作为测试信号输入。当扰动信号的振幅小于振幅阈值时，说明该扰动信号对变换器的影响较小，属于可控的扰动信号，可以选取为测试信号，以避免扰动信号频率过高，损坏变换器。
S300：将所述扰动信号添加至所述变换器的输入端，并获取扰动信号模型。
其中，所述扰动信号模型根据所述变换器输出的变换器参数生成。在本实施例中，扰动信号在添加至变换器的输入端之后，输入端会出现参数变化，从而导致变换器在运行的过程中的每一项参数均发生变化，最终影响输出端的输出。
变换器在工作的过程中，需要保持电压以及电流的动态平衡，而当变换器的输入端加入扰动信号时，扰动信号会影响变换器工作电压以及工作电流，为了保持变换器的动态平衡，因此，所述方法还需要按照动态平衡表达式根据所述扰动信号计算所述变换器的平衡变量，所述平衡变量包括稳态时输入电压、稳态时输出电压、输入电压以及输出电压。
因此，在一些实施例中，还需要先根据扰动信号计算变换器的动态平衡表达式，以从动态平衡表达式中提取平衡变量，从而进行后续的计算过程。
在计算变换器的动态平衡表达式之前，还需要获取变换器的各项参数。图4是根据图1所示的双有源桥变换器电路拓扑结构简化得到的双有源桥变换器的简化模型。在图1以及图4所示出的电气部件的基础上，根据基尔霍夫定律可以得到动态平衡表达式为：
其中，V1为稳态时输入电压，V2为稳态时输出电压，R为变换器电阻，Cf2为输出端电容,L为变换器电感，fs为变压器的工作频率，为稳态时的移相比，v2为输出电压。
在得到动态平衡表达式之后，可以从动态平衡表达式中提取平衡变量，平衡变量包括直流分量和扰动分量。在一些实施例中，平衡变量表达式为：
其中，v1为输入电压，v'1为扰动信号输入电压，v'2为扰动信号输出电压，D为扰动信号移相比，D'为变换器移相比。在上述参数中，v1和v2即为直流分量，v'1和v'2即为扰动分量。
在提取平衡变量之后，可以根据平衡变量计算变换器的输入电流和变换器的输出电流。图5为双有源桥变换器的平衡模型。在一些实施例中，可以将平衡变量输入至平衡模型的公式中，以计算输入电流和输出电流：
其中，I1ave为输入电流，I2ave为输出电流，n为所述变换器的输入侧线圈与所述变换器的输出侧线圈的比例，Th为所述变换器的半个运行周期。
在计算得到输入电流和输出电流之后，可以根据输入电流和输出电流以及上述已经得到的变换器参数可以计算得到变换器的电感电流的扰动表达式，所述电感电流的扰动表达式为：
其中，表示输出电流对移相比/>的偏导；/>表示输出电流对输入电压的偏导；/>表示输入电流对移相比/>的偏导；/>表示输入电流对输出电压的偏导。
图6为双有源桥变换器的扰动信号模型，在一些实施例中，在得到电感电流后，可以根据输入电流、输出电流以及电感电流构建扰动信号的扰动信号模型。
S400：通过所述扰动信号模型运行函数算法，得到传递函数。
在本实施例中，由于传递函数是由扰动信号模型转化得到，因此，可以使用仿真程序对扰动信号模型执行转换，在仿真程序中包括可以将扰动信号模型转换为传递函数的转换算法，可以将扰动信号模型直接作为运行主体运行该算法，以输出传递函数。
S500：根据所述传递函数计算比例积分参数。
在本实施例中，可以通过控制变换器输出电压和电流来计算比例积分参数，在一些实施例中，可以将传递函数输入至以下公式，以计算比例积分参数：
其中，Kp为比例参数，Ki为积分参数，G(s)为传递函数，s为s域常数，jωc为穿越频率。Kp和Ki即为比例积分参数。
其中，穿越频率可以为系统频率的预设倍数，所述预设倍数小于1，例如穿越频率为系统频率的0.1倍。系统频率即为变换器的系统运行频率，可通过需求人为设置。
由于通过公式计算存在一定的参数误差，因此，为了消除比例积分参数的参数误差，还可以对比例积分参数执行参数补偿。在一些实施例中，可以通过设置补偿阈值的方式来判断比例积分参数是否完全消除参数误差。如果补偿后的比例积分参数大于或者等于补偿阈值，说明补偿后的比例积分参数已经完全消除参数误差，可以输出补偿后的比例积分参数。如果补偿后的比例积分参数小于补偿阈值，说明补偿后的比例积分参数还未完全消除参数误差，此时需要重新对所述比例积分参数执行参数补偿。
在一些实施例中，在对比例积分参数执行参数补偿的过程中，可以将比例积分参数输入至补偿公式，所述补偿公式为：
其中，∠Gpi(s)G(s)为补偿后的比例积分参数，为所述变换器的系统相角。
在本实施例中，通过判断补偿后的比例积分参数是否小于180°与系统相角的差值，即相位裕度，来判断比例积分参数的补偿效果。例如，穿越频率处的相位裕度大于45°，即大于45°，以此为判定条件来补偿比例积分参数。经过补偿的PI参数满足系统阶跃响应，可以改善变换器动态响应调节和稳态误差调节特性，提升系统的抗干扰性能，并且可以根据需求来调节补偿控制系统的反应与稳定性。
在一些实施例中，还可以通过计算多组比例积分参数，通过平均取值的方式减小比例积分参数的计算误差。在本实施例中，可以更换多组不同的变换器参数，并根据每组不同的参数重新计算多组比例积分参数，根据多组比例积分参数计算平均比例积分参数值，以减小积分参数的计算误差。
为了便于运行上述变换器的比例积分参数计算方法，本申请的部分实施例还提供一种变换器的比例积分参数计算系统，所述系统包括控制器和执行器，其中，所述控制器被配置为根据用户输入的控制指令，控制所述执行器执行以下步骤：
S100：获取变换器的系统类型。如果所述系统类型为多阶系统，则执行步骤S200，如果所述系统类型为一阶系统，则执行步骤S201。
S200：进行信号频率筛选，以得到扰动信号。
S300：将所述扰动信号添加至所述变换器的输入端，并获取扰动信号模型。
其中，所述扰动信号模型根据所述变换器输出的变换器参数生成。
S400：通过所述扰动信号模型运行函数算法，得到传递函数。
S500：根据所述传递函数计算比例积分参数。
S201：在所述一阶系统中施加阶跃信号，以扰动所述一阶系统。
S202：根据第一电压和第二电压计算电压差。
S203：根据所述电压差输入至传递函数模型中，以计算传递函数。
由以上方案可知，本申请提供一种变换器的比例积分参数计算方法及系统，所述方法通过获取变换器的系统类型，确定计算比例积分参数的方式，如果系统类型为多阶系统，则进行信号频率筛选，以得到扰动信号，然后将扰动信号添加至变换器的输入端，并获取扰动信号模型，所述扰动信号模型可以根据变换器输出的变换器参数生成。再通过扰动信号模型运行函数算法，得到传递函数，最后根据传递函数计算比例积分参数。本申请通过在输入端添加扰动信号的方式，根据输入电压和输出电压的差异获取扰动信号模型，从而根据函数算法生成传递函数，可减小得到传递函数的计算量，简化得到传递函数的计算过程，提高计算比例积分参数的准确率。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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申请各实施例技术方案的范围。
为了方便解释，已经结合具体的实施方式进行了上述说明。但是，上述示例性的讨论不是意图穷尽或者将实施方式限定到上述公开的具体形式。根据上述的教导，可以得到多种修改和变形。上述实施方式的选择和描述是为了更好的解释本公开内容，从而使得本领域技术人员更好的使用所述实施方式。

Claims (4)

1.一种变换器的比例积分参数计算方法，其特征在于，所述方法包括：
获取变换器的系统类型；
如果所述系统类型为多阶系统，则进行信号频率筛选，以得到扰动信号；
将所述扰动信号添加至所述变换器的输入端，并获取扰动信号模型，所述扰动信号模型根据所述变换器输出的变换器参数生成；
按照下式根据所述扰动信号计算所述变换器的平衡变量，所述平衡变量包括稳态时输入电压、稳态时输出电压、输入电压以及输出电压；
其中，V 1 为稳态时输入电压，V 2 为稳态时输出电压，R为变换器电阻，/>为输出端电容，L为变换器电感，/>为变压器的工作频率，/>为稳态时的移相比，/>为输出电压；
所述平衡变量表达式为：
其中，v 1 为输入电压，/>为扰动信号输入电压，/>为扰动信号输出电压，D为扰动信号移相比，/>为变换器移相比；
将所述平衡变量输入至以下公式中，以计算输入电流和输出电流：
其中，/>为输入电流，/>为输出电流，n为所述变换器的输入侧线圈与所述变换器的输出侧线圈的比例，/>为所述变换器的半个运行周期；
根据所述输入电流和所述输出电流计算所述变换器的电感电流；
根据所述电感电流构建所述扰动信号模型；
通过所述扰动信号模型运行函数算法，得到传递函数；
根据所述传递函数计算比例积分参数；
如果所述系统类型为一阶系统，则在所述一阶系统中施加阶跃信号，以扰动所述一阶系统；
根据第一电压和第二电压计算电压差；所述第一电压为施加所述阶跃信号前所述一阶系统的输出电压，所述第二电压为施加所述阶跃信号后所述一阶系统的输出电压；
根据所述电压差输入至传递函数模型中，以计算传递函数；
根据所述传递函数计算比例积分参数；
以及，对所述比例积分参数执行参数补偿，将比例积分参数输入至补偿公式，所述补偿公式为：
其中，/>为补偿后的比例积分参数计算，/>为所述变换器的系统相角，以及，如果补偿后的比例积分参数大于或者等于补偿阈值，则输出补偿后的比例积分参数，如果补偿后的比例积分参数小于补偿阈值，则重新对所述比例积分参数执行参数补偿。
2.根据权利要求1所述的变换器的比例积分参数计算方法，其特征在于，根据所述传递函数计算比例积分参数，所述方法还包括：
将所述传递函数输入至以下公式，以计算所述比例积分参数：
其中，/>为比例参数，/>为积分参数，/>为传递函数，s为s域常数，/>为穿越频率。
3.根据权利要求1所述的变换器的比例积分参数计算方法，其特征在于，所述方法还包括：
更换多组变换器参数，并重新计算多组比例积分参数；
根据多组比例积分参数计算平均比例积分参数值。
4.一种变换器的比例积分参数计算系统，其特征在于，所述系统包括控制器和执行器，其中，所述控制器被配置为根据用户输入的控制指令，控制所述执行器执行权利要求1-3任一项所述的变换器的比例积分参数计算方法。
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