近年来,风能、太阳能、燃料电池等新能源发电并网取得了重大进展,作为并网核心部件的并网逆变器的发展也非常迅猛。并网电能的质量很大程度上取决于逆变器的控制策略。基于内模原理的重复控制器(Internal Model Principle, IMP)能够在基波及谐波频率处产生高增益以及零相移,可实现对给定电流的无静差跟踪,抑制谐波干扰,在并网逆变器控制领域得到了广泛应用。
重复控制器对周期性信号具有积分特性,应用于并网逆变器时,由于受直流侧电压以及功率开关管占空比的限制,容易出现积分饱和情况,严重影响供电质量。因此,研究并网逆变器的重复控制器积分抗饱和控制策略具有重要意义。
积分抗饱和研究已取得较多成果。杨锦分析了PID调节器在工程应用中的积分饱和问题,并提出了限制措施,但其只给出了基于数学模型的仿真,没有具体被控对象。S.Galeani等将传统积分抗饱和方法归纳为两大类:直接线性积分抗饱和(Direct Linear Anti-Windup, DLAW)和模型恢复积分抗饱和(Model Recovery Anti-Windup, MRAW)。DLAW方法求解阶次高,不一定可解,MRAW方法阶次相对较低,求解简单。
现有文献关于重复控制的积分抗饱和问题一般限于理论分析,鲜有实际应用。关于并网逆变器中的积分抗饱和问题,仅有少量文献针对PI控制器及比例谐振控制器的饱和问题进行了研究。重复控制应用于并网逆变器能实现比PI控制和谐振控制更好的稳态性能和谐波抑制效果,但尚未见到并网逆变器重复控制积分抗饱和研究的相关文献。
针对以上问题,本文以三相四桥臂并网逆变器为对象,研究重复控制抗饱和方法及实际应用,设计基于MRAW的三相四桥臂并网逆变器重复控制积分抗饱和补偿器,对控制量和输出反馈量分别进行补偿。控制量补偿环节采用线性补偿方法,并引入控制量饱和偏差,其补偿环节的系数采用线性二次型最优控制进行优化,输出反馈量补偿环节的系数根据对象模型获得。通过该方法得到的LMI条件简单可解,应用于并网逆变器时可以起到有效的积分抗饱和效果,并通过Simulink仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。
图11 10 kW三相四桥臂并网逆变器实验平台
本文在设计三相四桥臂并网逆变器重复控制器的基础上,针对其积分特性,设计了重复控制MRAW积分抗饱和补偿器,并通过仿真验证了MRAW控制策略在动态切换和稳态饱和情况下均具有比IMC积分抗饱和更好的恢复效果和跟踪性能,最后通过实验证明了本文提出的重复控制MRAW积分抗饱和策略的有效性。