- 頭條新型雙模PI控制器，可有效抑制諧波，提高電能質量2019-08-15 作者：王吉彪、陳啟宏等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語武漢理工大學自動化學院的研究人員王吉彪、陳啟宏等，在2018年第23期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于內模原理的并網逆變器雙模PI控制”）指出，網逆變器是分布式發電系統與電網之間的重要接口，其輸出電能質量直接關系到電網的可靠運行。為抑制逆變器引入電網的諧波，該文針對并網逆變器周期性信號的精確控制問題開展研究，結合常規PI控制器以及內模原理控制器的優點，將奇、偶次諧波內模作為積分環節并取代常規PI控制中的積分器，構造出基于內模原理的雙模PI控制器。該雙模PI控制器既具有常規PI響應速度快、魯棒性好以及參數設計簡單的優點，又可以實現對周期信號的無靜差跟蹤控制，能夠有效抑制電網諧波擾動。同時，雙模PI控制器可實現對奇、偶次諧波的獨立控制，具有優異的諧波抑制效果。仿真與實驗驗證了該方法的有效性。
并網逆變器是分布式發電系統與微電網間的重要接口，隨著光伏、風電等新能源發電系統的迅猛發展，并網逆變器在微電網中的應用越來越普遍，同時對其控制精度及諧波抑制提出了更高的要求。
PI控制器廣泛應用于逆變器控制中，但易產生靜差，并且諧波抑制效果不佳。逆變器控制信號和擾動信號通常為周期信號，基于內模原理的諧振控制器、重復控制器等，因可以實現對周期信號的無靜差控制，受到了廣泛的關注。
文獻[5]設計的變流器比例積分諧振控制器，實現了對基波信號的無靜差跟蹤以及對低次諧波的抑制，但是要有效抑制更多特定階次的諧波擾動，需增加額外的諧振環節。重復控制對于特定頻率的諧波具有相同的控制增益，為了提高魯棒性，實現對某一頻率段的諧波抑制，文獻[6]提出了單相并網逆變器基于奇次諧波內模的重復控制。
文獻[7]針對三相并網逆變器的奇次諧波內模控制進行了研究。文獻[8]將范圍進一步縮小，提出了nk+1次諧波內模控制。針對奇偶次諧波同時存在的情況，文獻[9]提出雙模重復控制實現對奇、偶次諧波的單獨控制，相比于傳統重復控制，雙模重復控制對于奇、偶次諧波具有獨立的控制增益。文獻[10]提出采用雙模重復控制器和移相濾波器組成的并行結構抑制奇、偶次電流諧波。但是上述重復控制存在一個或半個基波周期的延時，動態性能較差。
雖然重復控制可以實現對周期信號的無靜差跟蹤控制，但是存在動態性能差等缺陷。為了解決上述問題，文獻[11]研究了重復控制相位超前矯正，文獻[12]提出一種分數階相位補償解決方案，相比于上述相位超前補償器，補償更加精確和靈活。文獻[13]提出了針對三相恒壓恒頻脈寬調制逆變器的分數階相位補償。
為適應電網頻率的變化，文獻[14-16]對頻率自適應重復控制策略進行了研究。文獻[17]將比例諧振控制器與重復控制相結合，利用比例諧振控制器實現基波信號的無靜差跟蹤，重復控制抑制電網諧波擾動。針對重復控制存在一個基波周期的延時問題，文獻[18]將重復控制嵌入狀態反饋控制系統中，同時實現高動態響應和高穩態波形精度。
文獻[19-21]將重復控制與PI相結合應用于電力電子變換裝置控制中，其具有兩種控制方式的優點，使控制精度和動態性能得到了顯著提高，能夠實現很好的動態性能和精度，但是由于控制器之間存在參數耦合，使得復合控制系統設計非常復雜。針對該問題，文獻[22]提出基于改進型重復控制算法的并網逆變器設計，但是不能對奇偶次諧波進行單獨控制。
傳統的同步旋轉坐標系PI控制能夠實現對交流的無靜差控制并具有很好的動態響應，但是不適用于一些需要四橋臂進行單獨控制的場合，且無法對各次諧波進行有效抑制。包含重復控制的復合控制器具有很好的控制效果，且克服了重復控制動態性能差的缺點，但是控制系統設計復雜。
本文針對現有控制策略的不足，結合PI控制器和重復控制器的優點，提出了三相四橋臂并網逆變器基于內模原理的雙模PI控制策略，采用奇、偶次諧波內模代替常規PI控制器的積分環節，設計分別抑制奇次、偶次諧波的雙模PI控制器。
圖1 基于雙模PI控制器的三相四橋臂并網逆變器
圖21 實驗平臺
結論
本文針對常規PI控制器存在的靜差及諧波問題，設計了雙模PI控制器。仿真和實驗證明，本文提出的基于內模原理的雙模控制器可以實現對周期信號的無靜差跟蹤控制，具有響應速度快、魯棒性好及設計簡單等優點。同時，因其具有奇、偶次諧波內模，可實現對奇偶次諧波的獨立控制，有效抑制諧波，提高電能質量。
