具有低次谐波抑制能力的PIR控制器设计
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
北京交通大学电气工程学院、北京市轨道交通电气工程技术研究中心的研究人员张馨予、张钢、钱江林、刘志刚，在2016年《电工技术学报》增刊2上撰文指出，为了抑制由牵引网网压畸变引起的单相四象限变流器交流电流中的低次谐波，在电流环中引入一种比例积分谐振（PIR）控制器。
通过对比研究不同种类的谐振控制器性能差异，选取一种较为合适的准谐振控制器应用于PIR中，并利用根轨迹法设计PIR控制器的参数，以保证系统稳定并具有良好的动态性能。通过Matlab/Simulink仿真及样机实验，验证了所提PIR控制器在谐波抑制及稳定运行方面的优越性。
随着我国高速铁路的不断发展，牵引网谐波污染问题逐渐成为业内关注的焦点。某些线路运行着包含“交-直”型和“交-直-交”型在内的多种列车，导致在牵引网中谐波成分复杂，其中以3次、5次为代表的低次谐波，甚至会导致网压明显畸变[1]。
为了抑制牵引网网压畸变引起的单相四象限变流器交流电流谐波，文献[2]采用嵌入式重复控制与N次陷波器相结合的方法来改善电流质量，能够有效减小网侧电流谐波含量，减小对电网的谐波污染，但实现较为复杂；文献[3]采用比例谐振（Proportional-Resonant，PR）控制来抑制电流谐波，该控制方法能够对指定次谐波产生较好的抑制效果，但在电网电压频率发生一定的偏离时，该PR控制器在实际电网频率处的增益会急剧下降，以至于无法实现零误差跟踪。
文献[4]为减小用电设备对电网的影响提供了一种很好的控制思想，即将电流环分成两个前向通路，分别采用比例积分（Proportional-Integral，PI）控制和比例谐振控制，既利用了PI控制简单的特点，又引入PR控制以达到消除特定次谐波的目的。这种PI与PR控制器相结合的控制方法可以引入到单相四象限变流器控制中，既可以简化控制器的设计，又能够克服单纯采用一种控制器的不足。
国内外学者对PI并联PR的控制方法进行了研究，并将其作为一种新型控制器，即比例积分谐振（Proportional-Integral-Resonant，PIR）控制器。文献[5]采用有功-无功轴（d轴为有功轴，q轴为无功轴）解耦控制法，并在d轴电流控制中用PIR控制器代替PI控制器来抑制由直流电压波动引起的电流谐波。但q轴依旧采用PI控制器，如果牵引网网压中存在谐波，那么q轴电流中也会相应存在一定量的谐波，而此谐波不能用PI控制器有效抑制。
文献[6]针对三相系统，对电流环采用PI并联无阻尼谐振控制器的方法来抑制谐波，但这种控制器抗电网频率波动能力差，从而影响控制。文献[7,8]为抑制谐波，分别将PIR控制器应用于风力发电机组和有源电力滤波器中，并用仿真和实验证明了其有效性，但对于PIR控制器的设计并没有详细说明。
本文上述PIR控制器研究的基础上，提出一种能够抑制单相四象限变流器交流电流低次谐波的PIR控制器。由于不同种谐振控制器在控制方面表现出不同的特性，为了使系统更稳定运行，选取准谐振控制器应用于PIR中，并利用根轨迹对该PIR控制器的参数设计进行详细地分析与说明。最后通过仿真和实验验证该PIR控制器在电流低次谐波抑制方面的有效性。
图13 实验台照片
结论
由于传统电流环PI控制不能有效抑制牵引网网压畸变导致的四象限变流器输入电流低次谐波，本文提出了一种用于电流环d、q轴控制中的准PIR控制器，并采用根轨迹的方式详细说明了该控制器的设计过程。
准PIR控制器具有增强系统稳定性，降低系统敏感度的特点，并能够在一定程度上抑制交流电流中的3、5次谐波。最后通过搭建仿真模型及实验平台的方式，证明了本文设计的准PIR控制器在低次谐波抑制方面的有效性。