- 頭條如何解決并網逆變器的重復控制器積分飽和問題？2020-12-26 作者：譚翠蘭 邢彥一 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、江漢大學物理與信息工程學院的研究人員譚翠蘭、邢彥一、陳啟宏、張立炎，在2019年第17期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“三相四橋臂并網逆變器重復控制積分抗飽和策略”），在新能源并網逆變器中，基于內模原理的重復控制器被廣泛應用，但是由于受到功率管開關特性和直流母線電壓的約束，重復控制器存在積分飽和現象，嚴重影響供電質量。 為提高三相四橋臂并網逆變器的并網電流質量，基于模型恢復積分抗飽和方法，研究重復控制器積分抗飽和策略。首先，設計了具有積分作用的重復控制器；其次，根據被控對象的數學模型設計了重復控制積分抗飽和補償器，對控制量和輸出反饋量分別進行補償，控制量補償引入控制量飽和偏差，并采用線性二次型最優控制方法優化偏差系數；最后，通過仿真和實驗驗證了重復控制積分抗飽和策略在動態和穩態飽和情況下均能有效改善系統性能。
近年來，風能、太陽能、燃料電池等新能源發電并網取得了重大進展，作為并網核心部件的并網逆變器的發展也非常迅猛。并網電能的質量很大程度上取決于逆變器的控制策略。基于內模原理的重復控制器（Internal Model Principle, IMP）能夠在基波及諧波頻率處產生高增益以及零相移，可實現對給定電流的無靜差跟蹤，抑制諧波干擾，在并網逆變器控制領域得到了廣泛應用。
重復控制器對周期性信號具有積分特性，應用于并網逆變器時，由于受直流側電壓以及功率開關管占空比的限制，容易出現積分飽和情況，嚴重影響供電質量。因此，研究并網逆變器的重復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調節器在工程應用中的積分飽和問題，并提出了限制措施，但其只給出了基于數學模型的仿真，沒有具體被控對象。S.Galeani等將傳統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方法階次相對較低，求解簡單。
- 重復控制積分飽和抑制研究方面，有學者設計了針對迭代學習控制（Iterative Learning Control, ILC）的積分抗飽和方法，并擴展到重復控制器，但沒有考慮保證重復控制器穩定的濾波器。
- 有學者分析了重復控制器應用于執行器飽和系統時控制量穩態解存在以及有界的條件，并對控制量進行補償，在執行器飽和時消除了內模動態，防止控制器輸出繼續積分，但積分抗飽和補償器階次很高，難以實際應用。
- 有學者采用DLAW方法進行積分抗飽和補償，計算比較復雜，而且為了保證系統的穩定性，需加入額外補償環節。
- 有學者提出了一種最小拍MRAW設計方法，但該方法得到的線性矩陣不等式（Linear Matrix Inequality, LMI）由于條件苛刻，往往無解。
現有文獻關于重復控制的積分抗飽和問題一般限于理論分析，鮮有實際應用。關于并網逆變器中的積分抗飽和問題，僅有少量文獻針對PI控制器及比例諧振控制器的飽和問題進行了研究。重復控制應用于并網逆變器能實現比PI控制和諧振控制更好的穩態性能和諧波抑制效果，但尚未見到并網逆變器重復控制積分抗飽和研究的相關文獻。
針對以上問題，本文以三相四橋臂并網逆變器為對象，研究重復控制抗飽和方法及實際應用，設計基于MRAW的三相四橋臂并網逆變器重復控制積分抗飽和補償器，對控制量和輸出反饋量分別進行補償。控制量補償環節采用線性補償方法，并引入控制量飽和偏差，其補償環節的系數采用線性二次型最優控制進行優化，輸出反饋量補償環節的系數根據對象模型獲得。通過該方法得到的LMI條件簡單可解，應用于并網逆變器時可以起到有效的積分抗飽和效果，并通過Simulink仿真和實驗驗證了所提控制策略的有效性。
圖11 10 kW三相四橋臂并網逆變器實驗平臺
結論
本文在設計三相四橋臂并網逆變器重復控制器的基礎上，針對其積分特性，設計了重復控制MRAW積分抗飽和補償器，并通過仿真驗證了MRAW控制策略在動態切換和穩態飽和情況下均具有比IMC積分抗飽和更好的恢復效果和跟蹤性能，最后通過實驗證明了本文提出的重復控制MRAW積分抗飽和策略的有效性。
