学术简报｜基于内模原理的并网逆变器双模PI控制
武汉理工大学自动化学院的研究人员王吉彪、陈启宏等，在2018年第23期《电工技术学报》上撰文指出，网逆变器是分布式发电系统与电网之间的重要接口，其输出电能质量直接关系到电网的可靠运行。
为抑制逆变器引入电网的谐波，该文针对并网逆变器周期性信号的精确控制问题开展研究，结合常规PI控制器以及内模原理控制器的优点，将奇、偶次谐波内模作为积分环节并取代常规PI控制中的积分器，构造出基于内模原理的双模PI控制器。
该双模PI控制器既具有常规PI响应速度快、鲁棒性好以及参数设计简单的优点，又可以实现对周期信号的无静差跟踪控制，能够有效抑制电网谐波扰动。同时，双模PI控制器可实现对奇、偶次谐波的独立控制，具有优异的谐波抑制效果。仿真与实验验证了该方法的有效性。
并网逆变器是分布式发电系统与微电网间的重要接口，随着光伏、风电等新能源发电系统的迅猛发展，并网逆变器在微电网中的应用越来越普遍，同时对其控制精度及谐波抑制提出了更高的要求。
PI控制器广泛应用于逆变器控制中，但易产生静差，并且谐波抑制效果不佳。逆变器控制信号和扰动信号通常为周期信号，基于内模原理的谐振控制器、重复控制器等，因可以实现对周期信号的无静差控制，受到了广泛的关注。
文献[5]设计的变流器比例积分谐振控制器，实现了对基波信号的无静差跟踪以及对低次谐波的抑制，但是要有效抑制更多特定阶次的谐波扰动，需增加额外的谐振环节。重复控制对于特定频率的谐波具有相同的控制增益，为了提高鲁棒性，实现对某一频率段的谐波抑制，文献[6]提出了单相并网逆变器基于奇次谐波内模的重复控制。
文献[7]针对三相并网逆变器的奇次谐波内模控制进行了研究。文献[8]将范围进一步缩小，提出了nk+1次谐波内模控制。针对奇偶次谐波同时存在的情况，文献[9]提出双模重复控制实现对奇、偶次谐波的单独控制，相比于传统重复控制，双模重复控制对于奇、偶次谐波具有独立的控制增益。文献[10]提出采用双模重复控制器和移相滤波器组成的并行结构抑制奇、偶次电流谐波。但是上述重复控制存在一个或半个基波周期的延时，动态性能较差。
虽然重复控制可以实现对周期信号的无静差跟踪控制，但是存在动态性能差等缺陷。为了解决上述问题，文献[11]研究了重复控制相位超前矫正，文献[12]提出一种分数阶相位补偿解决方案，相比于上述相位超前补偿器，补偿更加精确和灵活。文献[13]提出了针对三相恒压恒频脉宽调制逆变器的分数阶相位补偿。
为适应电网频率的变化，文献[14-16]对频率自适应重复控制策略进行了研究。文献[17]将比例谐振控制器与重复控制相结合，利用比例谐振控制器实现基波信号的无静差跟踪，重复控制抑制电网谐波扰动。针对重复控制存在一个基波周期的延时问题，文献[18]将重复控制嵌入状态反馈控制系统中，同时实现高动态响应和高稳态波形精度。
文献[19-21]将重复控制与PI相结合应用于电力电子变换装置控制中，其具有两种控制方式的优点，使控制精度和动态性能得到了显著提高，能够实现很好的动态性能和精度，但是由于控制器之间存在参数耦合，使得复合控制系统设计非常复杂。针对该问题，文献[22]提出基于改进型重复控制算法的并网逆变器设计，但是不能对奇偶次谐波进行单独控制。
传统的同步旋转坐标系PI控制能够实现对交流的无静差控制并具有很好的动态响应，但是不适用于一些需要四桥臂进行单独控制的场合，且无法对各次谐波进行有效抑制。包含重复控制的复合控制器具有很好的控制效果，且克服了重复控制动态性能差的缺点，但是控制系统设计复杂。
本文针对现有控制策略的不足，结合PI控制器和重复控制器的优点，提出了三相四桥臂并网逆变器基于内模原理的双模PI控制策略，采用奇、偶次谐波内模代替常规PI控制器的积分环节，设计分别抑制奇次、偶次谐波的双模PI控制器。
图1 基于双模PI控制器的三相四桥臂并网逆变器
图21 实验平台
本文针对常规PI控制器存在的静差及谐波问题，设计了双模PI控制器。仿真和实验证明，本文提出的基于内模原理的双模控制器可以实现对周期信号的无静差跟踪控制，具有响应速度快、鲁棒性好及设计简单等优点。同时，因其具有奇、偶次谐波内模，可实现对奇偶次谐波的独立控制，有效抑制谐波，提高电能质量。