- 頭條用于并網逆變器諧波抑制的重復-比例復合控制器分析與設計2021-03-16 作者：趙強松 陳莎莎 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語并網逆變器中比例多諧振控制器能夠同時抑制多個頻率的入網電流諧波。為了解決傳統比例多諧振控制器設計復雜，并聯諧振控制器個數有限的問題，中原工學院電子信息學院、南京航空航天大學自動化學院、國家電網江蘇省電力有限公司的研究人員趙強松、陳莎莎、周曉宇、王曉雷、王雙紅，在2019年第24期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于重復控制和比例控制的新型重復-比例復合控制器，該復合控制器只需要設計少數幾個控制器參數。實驗結果驗證了該文提出的復合控制器能夠同時抑制多個頻率的電流諧波，并具有快速的動態性能。
隨著風電、光伏發電等可再生能源大量并網，當可再生能源的比例達到一定程度時，電網調節能力嚴重下降。因此，提高可再生能源發電系統中并網設備控制參數，降低諧波發生，成為解決電網電能質量的關鍵。
并網逆變器是可再生能源發電系統向電網輸送電能的接口單元，其控制性能直接影響入網電流的波形質量，即盡可能減小入網電流的總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion, THD）。
并網逆變器入網電流諧波含量控制的方法有基于內模原理的PI控制、比例諧振控制（Proportional Resonant, PR）、比例多諧振控制（Proportional Multi-Resonant, PMR）、重復控制（Repetitive Control, RC）等。
PI控制理論成熟，設計方法簡單，常用于三相并網逆變器中，通過坐標變換，能夠在與基波頻率同步旋轉的dq坐標系下對交流側三相對稱的正弦基波信號實現靜態無差跟蹤，但PI控制方式無法有效抑制多頻率諧波畸變，且對于單相或三相不對稱逆變器，PI控制難以借助坐標變換實現對正弦信號的靜態無差跟蹤。
PR控制可以對某一頻率正弦交流信號進行靜態無差跟蹤。為了提高PR控制對系統參數變化的魯棒性，常采用比例準諧振控制器。但針對逆變器死區產生的多頻率諧波或電網背景諧波，需要多個諧振控制器并聯構成PMR控制器才能取得良好的穩態精度。然而多個諧振控制器并聯造成的相位滯后可能導致系統不穩定。盡管可以通過對諧振控制器進行相位補償提高控制器性能，但增加了系統設計的復雜度。
含有某一類頻率信號內模的RC，能夠對此頻率基波信號及其諧波信號進行靜態無差跟蹤或擾動消除，目前已廣泛應用于各種逆變器控制場合。然而，RC內模中的延遲環節使其動態性能較差。為了解決此問題，有學者提出分數相位超前補償方法，提高RC控制增益，進而提高誤差收斂速度；有學者提出多速率RC的通用分數階相位超前補償方法，改善了系統動態性能。此外，為了提高整個系統的動態性能，常將RC與PI控制共同使用。
針對LCL型并網逆變器，有學者對比分析了RC與PI分別串聯和并聯的兩種復合控制策略，指出串聯復合控制對諧波的抑制能力受PI控制器參數的制約。而RC并聯PI復合控制策略的諧波抑制能力不受PI控制參數影響，且系統具有良好的動態性能和魯棒性。然而，這種并聯復合控制策略中的控制器存在耦合，使得并網逆變器動態過程中發生電流畸變，因此RC并聯PI復合控制策略并不是最優復合控制策略。
由于RC與PR/PMR都是基于內模原理，且都含有正弦信號的內模，因此，它們具有相通之處。根據指數性質，RC可以展開成負比例控制、積分控制和多諧振控制之和。然而，負比例控制對系統的動態性能會起反作用，將降低系統動態響應速度，甚至影響系統穩定性。
為此，中原工學院電子信息學院、南京航空航天大學自動化學院、國家電網江蘇省電力有限公司的研究人員提出一種基于RC并聯比例控制（Proportional Control, PC）的新型復合控制策略。相比傳統RC并聯PI控制，重復-比例復合控制具有設計參數少、設計思路清晰、設計流程簡單、穩態性能好、動態響應快等優點。
圖1 復合控制系統結構框圖
圖4 重復-比例復合控制器系統框圖
圖5 單相L型并網逆變器模型
首先，根據重復控制器頻域展開式，推導出重復-比例復合控制器可以由重復控制器和比例控制器并聯構成；其次，分析新型重復-比例復合控制器的穩定性及參數設計理論依據；最后，以L型單相并網逆變器為被控對象，給出復合控制器的參數設計流程。實驗結果驗證了該復合控制器能夠同時抑制多個頻率的電流諧波，并具有快速的動態性能。
研究者得出結論如下：
- 1）提出了一種基于RC并聯PC的新型復合控制策略，對比分析了RC并聯PI與RC并聯PC兩種復合控制策略的頻率特性。分析了RC并聯PC的復合控制的穩態性能及參數設計機理。
- 2）以L型單相并網逆變器為例，給出了重復-比例復合控制器的詳細參數設計流程。
- 3）相比傳統RC并聯PI控制，重復-比例復合控制器需要設計的參數更少，設計思路更清晰，設計流程更簡單，且具有更好的穩態性能，即入網電流的THD降至2.68%。同時，參考電流突變時，過渡時間在3個基波周期內。
- 4）提出的重復-比例復合控制器不僅適用于L型并網逆變器，也適用于LCL型并網逆變器。
相關研究成果已發表在2019年第24期《電工技術學報》上，論文標題為“用于并網逆變器諧波抑制的重復-比例復合控制器分析與設計”，作者為趙強松、陳莎莎、周曉宇、王曉雷、王雙紅。
