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  • 頭條如何解決并網(wǎng)逆變器的重復(fù)控制器積分飽和問(wèn)題?
    2020-12-26 作者:譚翠蘭 邢彥一 等  |  來(lái)源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院、江漢大學(xué)物理與信息工程學(xué)院的研究人員譚翠蘭、邢彥一、陳啟宏、張立炎,在2019年第17期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出(論文標(biāo)題為“三相四橋臂并網(wǎng)逆變器重復(fù)控制積分抗飽和策略”),在新能源并網(wǎng)逆變器中,基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制器被廣泛應(yīng)用,但是由于受到功率管開(kāi)關(guān)特性和直流母線電壓的約束,重復(fù)控制器存在積分飽和現(xiàn)象,嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。 為提高三相四橋臂并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流質(zhì)量,基于模型恢復(fù)積分抗飽和方法,研究重復(fù)控制器積分抗飽和策略。首先,設(shè)計(jì)了具有積分作用的重復(fù)控制器;其次,根據(jù)被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)了重復(fù)控制積分抗飽和補(bǔ)償器,對(duì)控制量和輸出反饋量分別進(jìn)行補(bǔ)償,控制量補(bǔ)償引入控制量飽和偏差,并采用線性二次型最優(yōu)控制方法優(yōu)化偏差系數(shù);最后,通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了重復(fù)控制積分抗飽和策略在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)飽和情況下均能有效改善系統(tǒng)性能。

    近年來(lái),風(fēng)能、太陽(yáng)能、燃料電池等新能源發(fā)電并網(wǎng)取得了重大進(jìn)展,作為并網(wǎng)核心部件的并網(wǎng)逆變器的發(fā)展也非常迅猛。并網(wǎng)電能的質(zhì)量很大程度上取決于逆變器的控制策略。基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制器(Internal Model Principle, IMP)能夠在基波及諧波頻率處產(chǎn)生高增益以及零相移,可實(shí)現(xiàn)對(duì)給定電流的無(wú)靜差跟蹤,抑制諧波干擾,在并網(wǎng)逆變器控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

    重復(fù)控制器對(duì)周期性信號(hào)具有積分特性,應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器時(shí),由于受直流側(cè)電壓以及功率開(kāi)關(guān)管占空比的限制,容易出現(xiàn)積分飽和情況,嚴(yán)重影響供電質(zhì)量。因此,研究并網(wǎng)逆變器的重復(fù)控制器積分抗飽和控制策略具有重要意義。

    積分抗飽和研究已取得較多成果。楊錦分析了PID調(diào)節(jié)器在工程應(yīng)用中的積分飽和問(wèn)題,并提出了限制措施,但其只給出了基于數(shù)學(xué)模型的仿真,沒(méi)有具體被控對(duì)象。S.Galeani等將傳統(tǒng)積分抗飽和方法歸納為兩大類:直接線性積分抗飽和(Direct Linear Anti-Windup, DLAW)和模型恢復(fù)積分抗飽和(Model Recovery Anti-Windup, MRAW)。DLAW方法求解階次高,不一定可解,MRAW方法階次相對(duì)較低,求解簡(jiǎn)單。

    • 重復(fù)控制積分飽和抑制研究方面,有學(xué)者設(shè)計(jì)了針對(duì)迭代學(xué)習(xí)控制(Iterative Learning Control, ILC)的積分抗飽和方法,并擴(kuò)展到重復(fù)控制器,但沒(méi)有考慮保證重復(fù)控制器穩(wěn)定的濾波器。
    • 有學(xué)者分析了重復(fù)控制器應(yīng)用于執(zhí)行器飽和系統(tǒng)時(shí)控制量穩(wěn)態(tài)解存在以及有界的條件,并對(duì)控制量進(jìn)行補(bǔ)償,在執(zhí)行器飽和時(shí)消除了內(nèi)模動(dòng)態(tài),防止控制器輸出繼續(xù)積分,但積分抗飽和補(bǔ)償器階次很高,難以實(shí)際應(yīng)用。
    • 有學(xué)者采用DLAW方法進(jìn)行積分抗飽和補(bǔ)償,計(jì)算比較復(fù)雜,而且為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,需加入額外補(bǔ)償環(huán)節(jié)。
    • 有學(xué)者提出了一種最小拍MRAW設(shè)計(jì)方法,但該方法得到的線性矩陣不等式(Linear Matrix Inequality, LMI)由于條件苛刻,往往無(wú)解。

    現(xiàn)有文獻(xiàn)關(guān)于重復(fù)控制的積分抗飽和問(wèn)題一般限于理論分析,鮮有實(shí)際應(yīng)用。關(guān)于并網(wǎng)逆變器中的積分抗飽和問(wèn)題,僅有少量文獻(xiàn)針對(duì)PI控制器及比例諧振控制器的飽和問(wèn)題進(jìn)行了研究。重復(fù)控制應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器能實(shí)現(xiàn)比PI控制和諧振控制更好的穩(wěn)態(tài)性能和諧波抑制效果,但尚未見(jiàn)到并網(wǎng)逆變器重復(fù)控制積分抗飽和研究的相關(guān)文獻(xiàn)。

    針對(duì)以上問(wèn)題,本文以三相四橋臂并網(wǎng)逆變器為對(duì)象,研究重復(fù)控制抗飽和方法及實(shí)際應(yīng)用,設(shè)計(jì)基于MRAW的三相四橋臂并網(wǎng)逆變器重復(fù)控制積分抗飽和補(bǔ)償器,對(duì)控制量和輸出反饋量分別進(jìn)行補(bǔ)償。控制量補(bǔ)償環(huán)節(jié)采用線性補(bǔ)償方法,并引入控制量飽和偏差,其補(bǔ)償環(huán)節(jié)的系數(shù)采用線性二次型最優(yōu)控制進(jìn)行優(yōu)化,輸出反饋量補(bǔ)償環(huán)節(jié)的系數(shù)根據(jù)對(duì)象模型獲得。通過(guò)該方法得到的LMI條件簡(jiǎn)單可解,應(yīng)用于并網(wǎng)逆變器時(shí)可以起到有效的積分抗飽和效果,并通過(guò)Simulink仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制策略的有效性。

    學(xué)術(shù)簡(jiǎn)報(bào)︱如何解決并網(wǎng)逆變器的重復(fù)控制器積分飽和問(wèn)題?

    圖11 10 kW三相四橋臂并網(wǎng)逆變器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

    結(jié)論

    本文在設(shè)計(jì)三相四橋臂并網(wǎng)逆變器重復(fù)控制器的基礎(chǔ)上,針對(duì)其積分特性,設(shè)計(jì)了重復(fù)控制MRAW積分抗飽和補(bǔ)償器,并通過(guò)仿真驗(yàn)證了MRAW控制策略在動(dòng)態(tài)切換和穩(wěn)態(tài)飽和情況下均具有比IMC積分抗飽和更好的恢復(fù)效果和跟蹤性能,最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了本文提出的重復(fù)控制MRAW積分抗飽和策略的有效性。

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