本发明涉及风电机组领域，具体涉及一种优化风电机组锁相环参数的方法及系统。
背景技术：
近年来，风电发展迅速，随着风电规模越来越大，在电力系统中的比重不断提升，风电与电网之间的相互影响越来越复杂。变速风电机组作为商业化运行的主力机型，能实现有功功率、无功功率的解耦控制，提高电力系统的调节能力及稳定性。变速风电机组通过背靠背变频器接入电网，运行过程中要保证变频器与电网同步运行，需要通过锁相环(phaselockedloop,pll)快速准确锁定电网的相位。目前，风电机组普遍使用基于锁相同步的矢量控制方式，锁相环驱动内电势相位变化实现与电网的同步运行，因此锁相环性能对变速风机的暂态特性有重要影响。
锁相环电路是一种典型的反馈控制电路，实现输出信号在频率和相位上自动跟踪输入信号。在稳态运行时，电网电压相位变化较小，锁相环能够较容易的跟踪电网电压相位变化，实现准确锁相，但是在暂态情况下，电网电压相位发生跳变，会给锁相环跟踪相位带来困难，对风电机组暂态特性造成影响，因此，如何解决电网电压相位发生跳变给锁相环跟踪相位带来困难的问题值得研究。
技术实现要素：
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种优化风电机组锁相环参数的方法及系统。本发明针对锁相环中环路滤波器的环路参数开展理论解析和仿真分析，理论解析环路参数对锁相环相位跟踪特性的影响，并仿真分析参数优选对锁相环相位跟踪改善能力的灵敏度分析，从而优选出最佳的环路参数，提高电网电压相位跳变情况下风电机组的暂态运行特性。
本发明提供的技术方案是：一种优化风电机组锁相环参数的方法，包括：
求解锁相环传递函数的特征方程，获取影响锁相环响应特征的参数；
仿真风电机组锁相环运行环境调节所述影响锁相环响应特征的参数；
根据仿真得到相位跟踪结果确定最优锁相环参数。
优选的，所述传递函数特征方程，如下式所示：
s2+kps+ki＝0
式中：s：频率自编路；kp：比例系数；ki：积分系数。
优选的，所述求解锁相环传递函数的特征方程，获取影响锁相环响应特征的参数，包括：
求解锁相环传递函数的特征方程，通过下式表达所述传递函数特征方程的特征根：
式中：s1：传递函数特征方程的第一特征根；s2：传递函数特征方程的第二特征根；
其中，影响锁相环响应特征的参数为比例系数kp和积分系数ki。
优选的，所述仿真风电机组锁相环运行环境调节所述影响锁相环响应特征的参数，包括：
根据锁相环暂态响应特性和所述影响锁相环响应特征的参数，建立锁相环在电网电压相位跳变下的响应表达式；
求解所述响应表达式得到反应锁相环性能的频域特征根；
在仿真风电机组锁相环运行环境下根据所述频域特征根，调节所述影响锁相环响应特征的参数得到相位跟踪结果。
优选的，所述锁相环在电网电压相位跳变下的响应表达式，如下式所示：
式中：
优选的，所述求解所述响应表达式得到反应锁相环性能的频域特征根，如下式所示：
式中：
优选的，所述在仿真风电机组锁相环运行环境下根据所述频域特征根，调节所述影响锁相环响应特征的参数得到相位跟踪结果，包括：
当所述风电机组锁相环运行环境中相角发生跳变时，保持积分系数不变，增大比例系数直至锁相环响应超调量不变，则输出相位跟踪结果包括当前的比例系数；
保持所述当前的比例系数不变，增大积分系数直至锁相环响应速度不变，则输出相位跟踪结果包括当前的积分系数。
优选的，所述根据仿真得到相位跟踪结果确定最优锁相环参数，包括：
若所述相位跟踪结果满足收敛函数，则所述相位跟踪结果中的比例系数和积分系数为最优锁相环参数。
优选的，通过下式表示所述收敛函数：
式中：
其中，通过下式表示所述第n次相位跟踪结果曲线与第n-1次结果曲线的最大偏差f(θ)：
式中：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种优化风电机组锁相环参数的系统，包括：
求解模块，用于求解锁相环传递函数的特征方程，获取影响锁相环响应特征的参数；
仿真模块，用于仿真风电机组锁相环运行环境调节所述影响锁相环响应特征的参数；
确定模块，用于根据仿真得到相位跟踪结果确定最优锁相环参数。
优选的，所述求解模块，包括：
第一求解单元，用于通过下式表示传递函数特征方程：
s2+kps+ki＝0
式中：s：频率自编路；kp：比例系数；ki：积分系数；
第二求解单元，用于求解锁相环传递函数的特征方程，通过下式表达所述传递函数特征方程的特征根：
式中：s1：传递函数特征方程的第一特征根；s2：传递函数特征方程的第二特征根；
参数单元，用于确定影响锁相环响应特征的参数为比例系数kp和积分系数ki。
优选的，所述仿真模块，包括：
建立子模块，用于根据锁相环暂态响应特性和所述影响锁相环响应特征的参数，建立锁相环在电网电压相位跳变下的响应表达式；
求解子模块，用于求解所述响应表达式得到反应锁相环性能的频域特征根；
调节子模块，用于在仿真风电机组锁相环运行环境下根据所述频域特征根，调节所述影响锁相环响应特征的参数得到相位跟踪结果。
优选的，所述调节子模块，包括：
第一调节单元，用于当所述风电机组锁相环运行环境中相角发生跳变时，保持积分系数不变，增大比例系数直至锁相环响应超调量不变，则输出相位跟踪结果包括当前的比例系数；
第二调节单元，用于保持所述当前的比例系数不变，增大积分系数直至锁相环响应速度不变，则输出相位跟踪结果包括当前的积分系数。
优选的，所述确定模块，包括：
确定单元，用于若所述相位跟踪结果满足收敛函数，则所述相位跟踪结果中的比例系数和积分系数为最优锁相环参数；
条件单元，用于通过下式表示所述收敛函数：
式中：
还用于通过下式表示所述第n次相位跟踪结果曲线与第n-1次结果曲线的最大偏差f(θ)：
式中：
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的技术方案，求解锁相环传递函数的特征方程，获取影响锁相环响应特征的参数；仿真风电机组锁相环运行环境调节所述影响锁相环响应特征的参数；根据仿真得到相位跟踪结果确定最优锁相环参数；既可以优选出最佳的锁相环参数，又避免了盲目的放大锁相环参数；通过确定最优锁相环参数解决电网电压相位发生跳变给锁相环跟踪相位带来的困难。
本发明提供的技术方案，在满足锁相环相位跟踪精度的基础上，又兼顾了参数选取的便利性。
本发明提供的技术方案，提高了电网电压相位跳变情况下锁相环相位跟踪性能，改善了风电机组的暂态特性。
附图说明
图1为本发明一种优化风电机组锁相环参数的方法流程图；
图2为本发明的变速风电机组锁相环基本结构示意图；
图3为本发明实施例中基于灵敏度分析的锁相环参数优选方法流程图；
图4为本发明实施例中坐标系转换示意图；
图5为本发明实施例中锁相环传递函数结构示意图；
图6为本发明实施例中电网电压相位跳变下的锁相环响应特性示意图；
图7为本发明实施例中电网电压相位跳变下的锁相环相位跟踪仿真曲线示意图；
图8为本发明实施例中跟踪仿真曲线局部放大示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，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。
基于本发明提供一种优化风电机组锁相环参数的方法及系统，本实施例中提供了两个实施例：
实施例1
图1为本发明一种优化风电机组锁相环参数的方法流程图，如图1所示，包括：
步骤s101，求解锁相环传递函数的特征方程，获取影响锁相环响应特征的参数；
步骤s102，仿真风电机组锁相环运行环境调节所述影响锁相环响应特征的参数；
步骤s103，根据仿真得到相位跟踪结果确定最优锁相环参数。
步骤s101，求解锁相环传递函数的特征方程，获取影响锁相环响应特征的参数，包括：
所述传递函数特征方程，如下式所示：
s2+kps+ki＝0
式中：s：频率自编路；kp：比例系数；ki：积分系数。
求解锁相环传递函数的特征方程，通过下式表达所述传递函数特征方程的特征根：
式中：s1：传递函数特征方程的第一特征根；s2：传递函数特征方程的第二特征根；
其中，影响锁相环响应特征的参数为比例系数kp和积分系数ki。
步骤s102，仿真风电机组锁相环运行环境调节所述影响锁相环响应特征的参数，包括：
根据锁相环暂态响应特性和所述影响锁相环响应特征的参数，建立锁相环在电网电压相位跳变下的响应表达式；
求解所述响应表达式得到反应锁相环性能的频域特征根；
在仿真风电机组锁相环运行环境下根据所述频域特征根，调节所述影响锁相环响应特征的参数得到相位跟踪结果。
其中，锁相环在电网电压相位跳变下的响应表达式，如下式所示：
式中：
进一步的，求解所述响应表达式得到反应锁相环性能的频域特征根，如下式所示：
式中：
进一步的，在仿真风电机组锁相环运行环境下根据所述频域特征根，调节所述影响锁相环响应特征的参数得到相位跟踪结果，包括：
当所述风电机组锁相环运行环境中相角发生跳变时，保持积分系数不变，增大比例系数直至锁相环响应超调量不变，则输出相位跟踪结果包括当前的比例系数；
保持所述当前的比例系数不变，增大积分系数直至锁相环响应速度不变，则输出相位跟踪结果包括当前的积分系数。
步骤s103，根据仿真得到相位跟踪结果确定最优锁相环参数，包括：
若所述相位跟踪结果满足收敛函数，则所述相位跟踪结果中的比例系数和积分系数为最优锁相环参数。
其中，通过下式表示所述收敛函数：
式中：
其中，通过下式表示所述第n次相位跟踪结果曲线与第n-1次结果曲线的最大偏差f(θ)：
式中：
实施例2
图2为典型的变速风电机组锁相环基本结构示意图，如图2所示，锁相环主要由三个部分构成：鉴相器(phasedetector,pd)，环路滤波器(lowpassfilter,lpf)和压控振荡器(voltagecontrolledoscillator,vco)。
锁相环在实际应用中有各种形式的环路，但它们都是由这个基本环路演变而来的。
锁相环工作原理为：鉴相器(pd)把周期性输入信号的相位与压控振荡器输出信号的相位进行比较，用来检测输入信号相位与反馈信号相位之间的相位差。该误差电压由环路滤波器(lf)进行滤波，环路滤波器可以抑制鉴相器输出的噪声和高频信号部分，它除了具有低通特性以外，更重要的是它对环路参数调整起着决定性的作用，对环路的各项性能都有着重要的影响。而环路滤波器的输出被用作控制电压送入压控振荡器(vco)，压控振荡器拥有一个固有的积分环节，输出为一个瞬时相位角。锁相环在实际应用中有各种形式的环路，但它们都是由这个基本环路演变而来的。pll将输入信号与vco的输出信号比较，产生对应于两信号相位差的电压信号，其中高频部分和噪声被lpf滤除。上述电压信号作用于vco，将vco频率牵引至输入信号频率，直至频率差消除进入锁定状态。此时输出信号与输入信号频差为0，相角差固定。
本实施例中，通过研究电网电压相位跳变情况下的风电机组暂态特性，基于锁相环参数变化对相位跟踪性能的影响分析，进行锁相环参数优选对锁相环锁相性能的敏感度分析，择优选取最佳的锁相环参数，实现最优的锁相环相位跟踪性能，从而提高电网电压相位跳变情况下风电机组的暂态运行特性。
本实施例中优化风电机组锁相环参数的方法的具体流程如图3所示，包括以下步骤：
i、搭建锁相环传递函数模型，建立传递函数解析表达式，解析传递函数特征方程，获取表达锁相环性能的特征值，确定锁相环关键参数；
ii、理论分析锁相环暂态响应特性，建立电网电压相位跳变情况下锁相环频域解析表达式，解析方程得到反应锁相环性能的频域特征根；
iii、仿真分析电网电压相位跳变情况下锁相环参数变化对锁相特性的影响，开展灵敏度分析，优选锁相环参数。
进一步的，所述步骤i中，搭建锁相环传递函数模型，建立传递函数解析表达式，解析传递函数特征方程，获取表达锁相环性能的特征值，确定锁相环关键参数。
变速风电机组控制通常在同步旋转坐标系下实现，因此在同步旋转坐标系下研究锁相环响应特性。锁相环包含两部分：一是clark和park变换部分，二是含有比例积分环节的反馈系统，锁相环通过clark和park变换将abc坐标系中的三相电压转化为正序旋转坐标系中的交直轴电压。
图4为坐标系转换示意图，以交轴电压等于0为控制目标，即可控制直轴电压跟踪电网电压并获得各相电压的相位，锁相环将电压矢量在交轴投影作为鉴相，以比例积分环节作为环路滤波器。
锁相环的动态性能主要取决于环路滤波器的pi参数。
图5所示为锁相环传递函数结构框图，其中环路滤波器一般采用pi结构，如式(1)所示。
其中，s：频率自编路；kp：比例系数；ki：积分系数。
典型基本结构下的锁相环可用如式(2)所示传递函数表达。
其中，θ(s)为输入信号，θe(s)为输出信号。
则锁相环传递函数的特征方程如式(3)所示。
s2+kps+ki＝0………………………………(3)
特征方程的特征根如式(4)所示。
从锁相环特征方程的特征根可以看出，锁相环的响应特性取决于kp和ki这两个参数。
进一步的，所述步骤ii中，理论分析锁相环暂态响应特性，建立电网电压相位跳变情况下锁相环频域解析表达式，解析方程得到反应锁相环性能的频域特征根。
当电网电压相角发生跳变时，会改变锁相环传递函数的频域表达式。假设电网电压相角跳变为
锁相环在电网电压相位跳变下的响应如式(6)所示。
针对不同的比例系数kp和积分系数ki分别进行讨论，可得相角跳变下锁相环的暂态响应特性如式(7)所示。
在不同的比例系数kp和积分系数ki取值下可得相角跳变下锁相环的暂态响应特性如图6所示。
锁相环性能的指标为锁相环响应超调量和锁相环响应速度。
相角发生跳变时，比例系数越小，锁相环响应超调量越大，锁相环性能越差，比例系数越大，锁相环响应超调量越小，比例系数达到一定数值后，比例系数的增大对锁相环超调量的改善效果越来越小，比例系数对锁相环锁相性能的影响带有明显的指数函数特点；
当比例系数相同时，积分系数越大，锁相环响应速度越快，锁相环性能越好，并有助于锁相环超调量的改善，当积分系数达到一定数值后，锁相环基本能够跟踪电网相位变化，且比例系数的改变对锁相环性能的影响不再明显。相对于比例系数而言，积分系数对锁相环的锁相性能影响更大。
进一步的，所述步骤iii中，仿真分析电网电压相位跳变情况下锁相环参数变化对锁相特性的影响，开展灵敏度分析，优选锁相环参数。
设置电网电压相位跳变，仿真分析锁相环参数变化对锁相性能影响的灵敏度，首先设定积分参数为一恒定值，不断改变比例参数，仿真分析锁相环锁相性能，确定比例参数的灵敏度；
然后设定比例参数为一恒定值，不断增大积分参数，仿真分析锁相环锁相性能，确定积分参数的灵敏度；
当比例参数和积分参数继续增大对锁相环性能改善不再明显时，即第n次相位跟踪结果与第n-1次结果的偏差小于一定数值时，认为比例参数和积分参数已经达到最优，从而确定最佳的锁相环参数。
锁相环参数灵敏度分析的收敛函数表达式如式(8)所示：
其中，
设定积分系数ki＝400，不断增大比例系数kp，如可以依次取值为10、100、200、400、800、1000，锁相环锁相跟踪曲线如图7所示。图8为本发明实施例针对图7中跟踪仿真曲线从0.2s到0.25s进行局部放大示意图。比例系数kp值越小，锁相环锁相的超调量越大，锁相效果越差；比例系数kp值越大，锁相环锁相性能的效果越好。
且当比例系数kp值较小时，故障切除后，相位跳变时，锁相环锁相曲线出现振荡，取较大的比例系数kp值可以有效抑制振荡，改善锁相环效果。但是也可以看出，当锁相环比例系数kp值超过800后，继续增大比例系数kp值对锁相环的锁相性能提高的效果不再明显。
如kp分别取值600和800时，f(θ)＝1.612，则
同样的方法可以得到最优的ki值，本例中ki最优为800。因此，得到本实施例中锁相环最佳匹配参数为kp＝800，ki＝800。
基于同一发明思路，本实施例中还提供了一种优化风电机组锁相环参数的系统，包括：
求解模块，用于求解锁相环传递函数的特征方程，获取影响锁相环响应特征的参数；
仿真模块，用于仿真风电机组锁相环运行环境调节所述影响锁相环响应特征的参数；
确定模块，用于根据仿真得到相位跟踪结果确定最优锁相环参数。
实施例中，所述求解模块，包括：
第一求解单元，用于通过下式表示传递函数特征方程：
s2+kps+ki＝0
式中：s：频率自编路；kp：比例系数；ki：积分系数；
第二求解单元，用于求解锁相环传递函数的特征方程，通过下式表达所述传递函数特征方程的特征根：
式中：s1：传递函数特征方程的第一特征根；s2：传递函数特征方程的第二特征根；
参数单元，用于确定影响锁相环响应特征的参数为比例系数kp和积分系数ki。
实施例中，所述仿真模块，包括：
建立子模块，用于根据锁相环暂态响应特性和所述影响锁相环响应特征的参数，建立锁相环在电网电压相位跳变下的响应表达式；
求解子模块，用于求解所述响应表达式得到反应锁相环性能的频域特征根；
调节子模块，用于在仿真风电机组锁相环运行环境下根据所述频域特征根，调节所述影响锁相环响应特征的参数得到相位跟踪结果。
实施例中，所述调节子模块，包括：
第一调节单元，用于当所述风电机组锁相环运行环境中相角发生跳变时，保持积分系数不变，增大比例系数直至锁相环响应超调量不变，则输出相位跟踪结果包括当前的比例系数；
第二调节单元，用于保持所述当前的比例系数不变，增大积分系数直至锁相环响应速度不变，则输出相位跟踪结果包括当前的积分系数。
实施例中，所述确定模块，包括：
确定单元，用于若所述相位跟踪结果满足收敛函数，则所述相位跟踪结果中的比例系数和积分系数为最优锁相环参数；
条件单元，用于通过下式表示所述收敛函数：
式中：
还用于通过下式表示所述第n次相位跟踪结果曲线与第n‐1次结果曲线的最大偏差f(θ)：
式中：
可以看出本专利采用敏感度分析的方法，既可以优选出最佳的锁相环参数，又避免了盲目的放大锁相环参数。在满足锁相环相位跟踪精度的基础上，又兼顾了参数选取的便利性。提高了电网电压相位跳变情况下锁相环相位跟踪性能，改善了风电机组的暂态特性。
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。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。