具有低次諧波抑制能力的PIR控制器設計

2017第六屆新能源發電系統技術創新大會

北京交通大學電氣工程學院、北京市軌道交通電氣工程技術研究中心的研究人員張馨予、張鋼、錢江林、劉志剛， 在2016年《電工技術學報》增刊2上撰文指出， 為了抑制由牽引網網壓畸變引起的單相四象限變流器交流電流中的低次諧波， 在電流環中引入一種比例積分諧振（PIR）控制器。

通過對比研究不同種類的諧振控制器性能差異， 選取一種較為合適的准諧振控制器應用於PIR中， 並利用根軌跡法設計PIR控制器的參數， 以保證系統穩定並具有良好的動態性能。 通過Matlab/Simulink模擬及樣機實驗，

驗證了所提PIR控制器在諧波抑制及穩定運行方面的優越性。

隨著我國高速鐵路的不斷發展， 牽引網諧波污染問題逐漸成為業內關注的焦點。 某些線路運行著包含“交-直”型和“交-直-交”型在內的多種列車， 導致在牽引網中諧波成分複雜， 其中以3次、5次為代表的低次諧波， 甚至會導致網壓明顯畸變[1]。

為了抑制牽引網網壓畸變引起的單相四象限變流器交流電流諧波， 文獻[2]採用嵌入式重複控制與N次陷波器相結合的方法來改善電流品質， 能夠有效減小網側電流諧波含量， 減小對電網的諧波污染， 但實現較為複雜；文獻[3]採用比例諧振（Proportional-Resonant， PR）控制來抑制電流諧波， 該控制方法能夠對指定次諧波產生較好的抑制效果，

但在電網電壓頻率發生一定的偏離時， 該PR控制器在實際電網頻率處的增益會急劇下降， 以至於無法實現零誤差跟蹤。

文獻[4]為減小用電設備對電網的影響提供了一種很好的控制思想， 即將電流環分成兩個前向通路， 分別採用比例積分（Proportional-Integral， PI）控制和比例諧振控制， 既利用了PI控制簡單的特點， 又引入PR控制以達到消除特定次諧波的目的。 這種PI與PR控制器相結合的控制方法可以引入到單相四象限變流器控制中， 既可以簡化控制器的設計， 又能夠克服單純採用一種控制器的不足。

國內外學者對PI並聯PR的控制方法進行了研究， 並將其作為一種新型控制器， 即比例積分諧振（Proportional-Integral-Resonant， PIR）控制器。 文獻[5]採用有功-無功軸（d軸為有功軸， q軸為無功軸）解耦控制法，

並在d軸電流控制中用PIR控制器代替PI控制器來抑制由直流電壓波動引起的電流諧波。 但q軸依舊採用PI控制器， 如果牽引網網壓中存在諧波， 那麼q軸電流中也會相應存在一定量的諧波， 而此諧波不能用PI控制器有效抑制。

文獻[6]針對三相系統， 對電流環採用PI並聯無阻尼諧振控制器的方法來抑制諧波， 但這種控制器抗電網頻率波動能力差， 從而影響控制。 文獻[7,8]為抑制諧波， 分別將PIR控制器應用於風力發電機組和有源電力濾波器中， 並用模擬和實驗證明了其有效性， 但對於PIR控制器的設計並沒有詳細說明。

本文上述PIR控制器研究的基礎上， 提出一種能夠抑制單相四象限變流器交流電流低次諧波的PIR控制器。

由於不同種諧振控制器在控制方面表現出不同的特性， 為了使系統更穩定運行， 選取准諧振控制器應用於PIR中， 並利用根軌跡對該PIR控制器的參數設計進行詳細地分析與說明。 最後通過模擬和實驗驗證該PIR控制器在電流低次諧波抑制方面的有效性。

圖13 實驗台照片

結論

由於傳統電流環PI控制不能有效抑制牽引網網壓畸變導致的四象限變流器輸入電流低次諧波， 本文提出了一種用於電流環d、q軸控制中的准PIR控制器， 並採用根軌跡的方式詳細說明了該控制器的設計過程。

准PIR控制器具有增強系統穩定性， 降低系統敏感度的特點， 並能夠在一定程度上抑制交流電流中的3、5次諧波。 最後通過搭建模擬模型及實驗平臺的方式， 證明了本文設計的准PIR控制器在低次諧波抑制方面的有效性。

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