用于并网逆变器谐波抑制的重复-比例复合控制器分析与设计
武汉加油
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并网逆变器中比例多谐振控制器能够同时抑制多个频率的入网电流谐波。为了解决传统比例多谐振控制器设计复杂，并联谐振控制器个数有限的问题，中原工学院电子信息学院、南京航空航天大学自动化学院、国家电网江苏省电力有限公司的研究人员赵强松、陈莎莎、周晓宇、王晓雷、王双红，在2019年第24期《电工技术学报》上撰文，提出一种基于重复控制和比例控制的新型重复-比例复合控制器，该复合控制器只需要设计少数几个控制器参数。实验结果验证了该文提出的复合控制器能够同时抑制多个频率的电流谐波，并具有快速的动态性能。
随着风电、光伏发电等可再生能源大量并网，当可再生能源的比例达到一定程度时，电网调节能力严重下降。因此，提高可再生能源发电系统中并网设备控制参数，降低谐波发生，成为解决电网电能质量的关键。
并网逆变器是可再生能源发电系统向电网输送电能的接口单元，其控制性能直接影响入网电流的波形质量，即尽可能减小入网电流的总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）。
并网逆变器入网电流谐波含量控制的方法有基于内模原理的PI控制、比例谐振控制（Proportional Resonant, PR）、比例多谐振控制（Proportional Multi-Resonant, PMR）、重复控制（Repetitive Control, RC）等。
PI控制理论成熟，设计方法简单，常用于三相并网逆变器中，通过坐标变换，能够在与基波频率同步旋转的dq坐标系下对交流侧三相对称的正弦基波信号实现静态无差跟踪，但PI控制方式无法有效抑制多频率谐波畸变，且对于单相或三相不对称逆变器，PI控制难以借助坐标变换实现对正弦信号的静态无差跟踪。
PR控制可以对某一频率正弦交流信号进行静态无差跟踪。为了提高PR控制对系统参数变化的鲁棒性，常采用比例准谐振控制器。但针对逆变器死区产生的多频率谐波或电网背景谐波，需要多个谐振控制器并联构成PMR控制器才能取得良好的稳态精度。然而多个谐振控制器并联造成的相位滞后可能导致系统不稳定。尽管可以通过对谐振控制器进行相位补偿提高控制器性能，但增加了系统设计的复杂度。
含有某一类频率信号内模的RC，能够对此频率基波信号及其谐波信号进行静态无差跟踪或扰动消除，目前已广泛应用于各种逆变器控制场合。然而，RC内模中的延迟环节使其动态性能较差。为了解决此问题，有学者提出分数相位超前补偿方法，提高RC控制增益，进而提高误差收敛速度；有学者提出多速率RC的通用分数阶相位超前补偿方法，改善了系统动态性能。此外，为了提高整个系统的动态性能，常将RC与PI控制共同使用。
针对LCL型并网逆变器，有学者对比分析了RC与PI分别串联和并联的两种复合控制策略，指出串联复合控制对谐波的抑制能力受PI控制器参数的制约。而RC并联PI复合控制策略的谐波抑制能力不受PI控制参数影响，且系统具有良好的动态性能和鲁棒性。然而，这种并联复合控制策略中的控制器存在耦合，使得并网逆变器动态过程中发生电流畸变，因此RC并联PI复合控制策略并不是最优复合控制策略。
由于RC与PR/PMR都是基于内模原理，且都含有正弦信号的内模，因此，它们具有相通之处。根据指数性质，RC可以展开成负比例控制、积分控制和多谐振控制之和。然而，负比例控制对系统的动态性能会起反作用，将降低系统动态响应速度，甚至影响系统稳定性。
为此，中原工学院电子信息学院、南京航空航天大学自动化学院、国家电网江苏省电力有限公司的研究人员提出一种基于RC并联比例控制（Proportional Control, PC）的新型复合控制策略。相比传统RC并联PI控制，重复-比例复合控制具有设计参数少、设计思路清晰、设计流程简单、稳态性能好、动态响应快等优点。
图1 复合控制系统结构框图
图4 重复-比例复合控制器系统框图
图5 单相L型并网逆变器模型
首先，根据重复控制器频域展开式，推导出重复-比例复合控制器可以由重复控制器和比例控制器并联构成；其次，分析新型重复-比例复合控制器的稳定性及参数设计理论依据；最后，以L型单相并网逆变器为被控对象，给出复合控制器的参数设计流程。实验结果验证了该复合控制器能够同时抑制多个频率的电流谐波，并具有快速的动态性能。
研究者得出结论如下：
1）提出了一种基于RC并联PC的新型复合控制策略，对比分析了RC并联PI与RC并联PC两种复合控制策略的频率特性。分析了RC并联PC的复合控制的稳态性能及参数设计机理。
2）以L型单相并网逆变器为例，给出了重复-比例复合控制器的详细参数设计流程。
3）相比传统RC并联PI控制，重复-比例复合控制器需要设计的参数更少，设计思路更清晰，设计流程更简单，且具有更好的稳态性能，即入网电流的THD降至2.68%。同时，参考电流突变时，过渡时间在3个基波周期内。
4）提出的重复-比例复合控制器不仅适用于L型并网逆变器，也适用于LCL型并网逆变器。