新能源发电技术 课件 第六章-不平衡谐波电网下的新能源发电控制技术

第六章不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院本章内容：不平衡、谐波电网下新能源并网发电系统基于谐振控制的新能源系统运行技术基于重复控制的新能源系统运行技术

第六章不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统双馈发电机数学模型

在正转两相同步旋转坐标系dq+下，定子电压、转子电压可表示为：

定子磁链、转子磁链可表示为：

定子电流、转子电流可表示为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统双馈发电机数学模型

定/转子电压、定/转子磁链的关系可以写为：

定转子电压、电流及磁链的负序分量表达式为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统双馈发电机数学模型

定转子电压、电流及磁链的5次谐波分量表达式为：

定转子电压、电流及磁链的7次谐波分量表达式为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统双馈发电机数学模型

忽略定子电阻时，稳态运行条件下定子电压方程可以化简为：

由定子磁链方程，定子电流可表示为：

由定子电压和电流可以计算DFIG定子输出有功、无功功率：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统双馈发电机数学模型 DFIG定子输出有功、无功功率可表示为：

其中，为输出电流

的共轭；，，，和分别为定子输出有功功率的直流(平均)分量、二倍频正、余弦波动分量、六倍频正、余弦波动分量；

，

，

，

和

分别为定子输出无功功率的直流(平均)分量、二倍频正、余弦波动分量、六倍频正、余弦波动分量。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统双馈发电机数学模型

其中输出功率直流分量可以表示为：

其中输出功率二倍频分量和六倍频分量可以用类似的形式表示。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统双馈发电机数学模型

其中输出功率二倍频分量可以表示为：

其中输出功率六倍频分量可以表示为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统双馈发电机数学模型

根据发电机定/转子磁链、定/转子电流，可以得到三相不平衡及谐波畸变电网电压条件下DFIG的电磁功率表达式：

电磁转矩可写为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统双馈发电机数学模型

直流分量由同频率电压电流相互作用产生，包括工频电压与工频电流的相互作用、负序电压与负序电流的相互作用、五/七次谐波电压与五/七次谐波电流的相互作用。

二倍频分量由工频电压/电流与负序电流/电压相互作用产生，六倍频分量由五/七次谐波电压/电流与五/七次谐波电流/电压相互作用产生。二倍频分量工频电压/电流相互作用五次电压/电流七次电压/电流负序电压/电流输出功率电磁转矩二倍频分量直流分量不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统并网变流器数学模型

两相同步速旋转坐标系下变流器电压与电网电压表达式：

若处于电网电压不平衡且存在谐波畸变的非理想运行条件下，网侧变流器电压方程可表示为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统并网变流器数学模型

电网电压不平衡及谐波畸变下，直流环节电压可以写为：

并网变流器输出功率可表示为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.1不平衡/谐波电网下新能源并网发电系统并网变流器数学模型

并网变流器输出功率的有功分量和无功分量可分别表示为：

与双馈发电机的输出功率类似，不平衡、谐波电网下的并网变流器直流母线电压及输出功率中存在直流分量、二倍频分量、六倍频分量，其中各个分量的产生机理与前文中的双馈发电机一致。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

直流分量的控制通常采用基于积分器的PI控制器或PID控制实现无静差控制交流分量需通过交流积分器控制，其中谐振控制器作为交流积分器的一种，可为指定频率交流信号提供无穷大幅值增益的理想积分器，实现对交流信号的无稳态静差跟踪以及快速调节。基频分量负序分量谐振分量直流分量交流分量转换到矢量控制坐标系不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

无论是双馈发电机还是并网变流器，均可等效为阻感性负载，在同步旋转坐标系中等效传递函数可表示为：

采用实系数积分控制器的矢量控制方案：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

将复数极点调整为实数极点，可将实系数积分控制器扩展为复系数积分控制器，得到如下电流矢量控制方案：

当调节器系数kp、ki1、ki2=kp选取一致时，采用P+RCI调节器和P+CCI调节器可以获得相同的电流调节器控制特性。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

比较P+RCI和P+CCI两种调节器的波特图：

在零频段附近，两种控制器均可提供足够的幅值增益，对直流量实现无静差跟踪。对比相频特性可见，P+RCI调节器在零频段存在相位滞后，而P+CCI调节器在零频段基本为0°。复系数积分器可有效改善调节器的相频特性，能够有效提升动态响应能力，缩短动态调整时间。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

通过Park变换对控制器的作用频率进行全频域拓展，得到采用实P+PCI进行交流分量控制结构示意图：

对于任意频率的交流分量，首先将交流分量进行Park变换，转化为旋转坐标系下的直流分量，采用P+RCI进行控制后，进行反变换，得到该频率的指令电压。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

在指定频率的旋转坐标系中，电流d、q轴控制误差信号为：

在两相静止坐标系中，实系数电流调节器输出电压vα、vβ分别可表示为（*表示卷积）：

定义和并简化后可表示为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

根据欧拉公式，正余弦量可表示为两个复数域指数函数的和差。电流d、q轴控制误差信号正余弦分量可表示为：

经过拉普拉斯变换后可得（E(s)为e(s)的频域表达式）：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

进一步的，对电流d、q轴控制误差信号表达式和进行拉普拉斯变换：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

根据上页可以对实系数电流调节器输出电压vα、vβ表达式进行拉普拉斯变换：

改写为矢量形式有：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

因此在两相静止坐标系中，实系数电流调节器可表示为：实系数电流调节器的比例项与频率变换无关，其中积分项根据作用频率进行频率偏移，对交流信号具有调节能力，即为交流积分控制器的基本表达形式，可以将积分项称之为一阶广义积分器(first-ordergeneralizedintegrator,FOGI)，并写为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

上图为一阶广义积分器的波特图，当谐振频率设置为50Hz时，一阶广义积分器可以为50Hz的交流分量提供足够的幅值增益，实现交流分量的无静差控制，其中谐振频率的正负性用于表征被控分量的正负序性。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理

复系数电流调节器可表示为：

经过全频域拓展后可表示为：

复系数交流电流调节器中的比例项与频率变换无关，而积分项则需要进行频率变换，同时交叉积分项会引入额外的一阶表达式，可将下式称为一阶矢量积分器。：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理相较于一阶广义积分器FOGI，一阶矢量积分器FOVI在谐振频率处相位跳变后不会出现相位滞后现象，这与P+RCI与P+CCI相频特性是类似的，具有更快的动态特性。上述两种对交流分量具有控制功能的交流积分控制器由于其波特图的谐振特性，因此又被成为谐振器。一阶矢量积分器的波特图不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理当同时使用两个谐振频率相同、极性相反的谐振控制器时，组合控制器可表示为：

当两个谐振频率相同但交流分量极性相反时，组合控制器的表达式会变成统一的二阶形式，这种二阶谐振控制器的典型表达形式分别命名为二阶广义积分器(second-ordergeneralizedintegrator,SOGI)和二阶矢量积分器(second-ordervectorintegrator,SOVI)。k=6n不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理SOGI和SOVI的可同时为正、反转300Hz交流信号提供调节能力，而对其他频率信号不具有调节能力。相较于一阶谐振器，二阶谐振器具有频率选择能力，不具有极性选择能力，意味着二阶谐振器在应对成对出现的电网谐波电压时具有更强的适应性。一阶谐振器亦视作二阶谐振器的变化形式，称为降阶谐振器。SOGI波特图SOVI波特图不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制器的基本原理谐振控制器根据阶数不同，可分为降阶谐振器和二阶谐振器；根据谐振控制器的演变类型不同，将由实系数积分器演变得到的谐振器称之为广义积分器，而将由复系数积分器演变得到的谐振器称之为矢量积分器。

类型阶数广义积分器generalizedintegrator,GI矢量积分器vectorintegrator,VI降阶reduced-order,RO降阶广义积分器，ROGI降阶矢量积分器，ROVI二阶second-order,SO二阶广义积分器，SOGI二阶矢量积分器，SOVI不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

谐波及不平衡电网下，新能源系统输出电流、输出功率或发电机转矩中存在对应频率的谐波和脉动分量，因此，新能源发电系统可以有选择性地针对其中一项进行优化控制。

对于双馈发电机，转子侧变流器(RSC)的可选控制目标可以设定为：

目标A：正弦平衡的双馈风力发电机转子励磁电流；

目标B：正弦平衡的双馈风力发电机定子输出电流；

目标C：平稳无振荡的双馈风力发电机输出功率；

目标D：恒定无脉动的双馈风力发电机电磁转矩。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

对于目标A，控制目标即为消除转子电流中的负序分量及谐波分量，各频率转子电流目标指令可以写为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

对于目标B，控制目标即为消除定子电流中的负序分量及谐波分量，各频率转子电流目标指令可以写为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

对于目标C，控制目标即为消除有功功率及无功功率中的二倍频、六倍频分量，其中功率二倍频包含：有功功率余弦分量、无功功率正余弦分量四个分量，通常会选择消除有功功率正余弦分量从而保证有功功率的平稳。各频率转子电流目标指令计算结果如下：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

对于目标D，控制目标即为消除电磁转矩中的二倍频、六倍频分量，由于可以独立调节的电流分量有两项，所以二倍频的正余弦分量都可以被有效调节；对于转矩六倍频分量，由于可以独立调节的电流分量有四项，因此冗余的两个电流量可以进一步的进行无功功率六倍频的抑制，形成电磁转矩-无功功率的联合控制。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

目标D下，各频率转子电流目标指令计算结果如下：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

基于PI+SOGI的双馈发电机控制结构框图：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

对于网侧变流器，同样可在电网包含不平衡及谐波分量时设定不同的控制目标。

对于目标a，控制目标即为消除输出电流中的负序分量及谐波分量，各频率转子电流目标指令可以写为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

对于目标b，控制目标即为消除并网变流器有功功率及无功功率中的二倍频、六倍频分量，同样地对于不平衡电压导致的功率二倍频分量只能选择有功功率或无功功率中之一进行波动抑制，原理同前文。而功率六倍频分量中的波动分量，则可以同时实现有功功率和无功功率的波动平抑。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

目标b下，各频率转子电流目标指令计算结果如下：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术基于谐振控制器的新能源系统运行技术

基于PI+SOGI的并网变流器控制结构框图：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（1）直接谐振控制技术准确提取电压正序、负序、谐波分量在实际运行中较为困难，实际应用中，采用SOGI构造额外谐振闭环的直接谐振控制方法，不依赖电机参数，对电机参数具有普适性，无需提取电网电压的正、负序分量，可提高实际应用价值。实际使用中，直接将被控制目标作为交流控制器如SOGI的输入，而不采用电流指令计算的方式。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（1）直接谐振控制技术

以不平衡电压电网下的风电机组运行为例为例，对于机侧变流器：

目标A：要求即转子电流正弦无负序分量，则SOGI调节器的被控对象可设置为：

目标B：要求即定子电流平衡无负序分量，则SOGI调节器的被控对象可设置为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（1）直接谐振控制技术

目标C：要求和

即双馈电机定子有功、无功功率平稳无脉动，则SOGI调节器的被控对象可设置为：

目标D：要求和

即双馈电机定子有功、无功功率平稳无脉动，则SOGI调节器的被控对象可设置为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（1）直接谐振控制技术 SOGI具有频率选择特性，只为二倍电网频率交流量提供足够的幅值增益，而对其他频率信号无明显调节作用，可以将同时含有直流量和二倍电网频率交流量的复合信号直接作为SOGI调节器的被控对象，而无需提取相应的波动分量。为了简化控制结构，可将SOGI调节器的指令设置为零，即 .不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（1）直接谐振控制技术

因此，可设计在电网电压不平衡条件下机侧变流器PI+SOGI直接谐振控制系统，如图所示。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（2）降阶谐振控制技术

机侧变流器输出电压（转子电压）可表示为PI控制器输出、交流控制器输出、解耦项输出的叠加，即下式：

根据欧拉公式可知，任意频率余弦信号可分解为两个反向旋转矢量加和的形式，由于二阶广义积分器SOGI对正、反向旋转的100Hz交流信号均具有同样的调节能力，故在正转两相旋转坐标系中，其输出信号既包含正转100Hz分量，同样也包含反转100Hz分量，即：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（2）降阶谐振控制技术

将转子电压指令进行坐标变换，可得两相静止坐标系中转子电压指令，并可写为：采用基于二阶广义积分器形式的谐振器在两相静止坐标系中会产生正序三次谐波分量和负序基频分量。由于正序三次谐波分量的存在，将会导致定子电流中含有三次谐波分量，导致双馈电机输出电流存在明显畸变。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（2）降阶谐振控制技术

当采用基于降阶广义积分器形式的谐振器时，由于其输出量在正转两相旋转坐标系中只含有反转100Hz交流信号，并可表示为：

变换至静止坐标系后，转子电压指令可表示为：

采用基于降阶广义积分器形式的转子电压指令仅含有正序基频分量和负序基频分量，而不含有正序三次谐波分量，故而可在降低转矩脉动同时有效抑制定子电流的谐波畸变。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（2）降阶谐振控制技术

实际应用中，针对电网电压不平衡问题，可采用降阶谐振控制器代替SOGI的方式进行控制优化，即降阶谐振技术。但是，降阶谐振技术由于存在复系数，在实际应用时通常需要实系数化。

经过控制器分母实数化以后可以看到，降阶谐振器被分解为两个SOGI控制器，其中复系数SOGI则可以通过交叉反馈解耦的方式实现。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（2）降阶谐振控制技术假设被控量为 ,那么经过ROGI控制后的输出可以写为：

经过控制器分母实数化以后可以看到，降阶谐振器被分解为两个SOGI控制器，其中复系数SOGI则可以通过交叉反馈解耦的方式实现。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（2）降阶谐振控制技术

可以得到ROGI的实系数实现方法如图，即为机侧变流器直接谐振控制技术。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（3）双馈风力发电机协同控制技术

在实际运行中，双馈风电机组具有双变流器并联并网的接入方式，因此可以灵活的选择RSC和GSC的控制目标，实现多个目标协同控制方式。

多目标机网侧协同控制方法：兼顾发电机自身运行性能，并灵活的选择并网风电机组的整体电能质量或输出功率的优化。机侧变流器通过电机转矩抑制，实现发电机自身优化，此时发电机侧输出非正弦电流及功率波动，网侧变流器则补偿机侧变流器的畸变电流或功率波动。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（3）双馈风力发电机协同控制技术

这种情况下，机侧变流器的控制目标为：确保双馈风力发电机转矩平稳，即：

网侧变流器的控制目标为：

目标i：确保双馈风力发电机(含有机侧和网侧变流器)总输出电流正弦平衡；

要求

，即双馈风电系统总输出电流正弦无负序分量，则交流调节器的被控对象可设置为不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（3）双馈风力发电机协同控制技术

目标ii：确保双馈风力发电机总输出有功功率恒定；

要求

，要求双馈风电系统输出的有功功率平稳无脉动，则ROGI调节器的被控对象可设置为：

目标iii：确保双馈风力发电机输出无功功率恒定；

要求

，要求双馈风电系统输出的无功功率平稳无脉动，则ROGI调节器的被控对象可设置为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（3）双馈风力发电机协同控制技术融合直接谐振技术、降阶谐振方法、协同控制策略，给出了电网电压不平衡下的DFIG机组基于ROGI直接谐振的多目标协同控制技术。其中，交流控制器形式采用ROGI，控制方式采用直接谐振控制环，控制策略则基于机网侧多目标分配协同。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.2基于谐振控制的新能源系统运行技术谐振控制拓展应用（3）双馈风力发电机协同控制技术基于ROGI直接谐振的多目标协同控制技术不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制的基本原理现实情况中，当双馈风力发电机组运行于弱电网或者微网环境下，而往往由于分布式发电单元等的存在，电网电压除了5、7次谐波外还包含高次畸变分量。定子电流中也将包含这些高次谐波分量，电磁转矩、定子输出有功功率和无功功率中也将出现高次波动分量。重复控制调节器(repetitivecontroller，RC)，是一种基于传统内模控制原理通过对输入误差信号以及重复控制器输出信号的恰当延时的多频率交流控制器，其可对重复频率整数倍的多个频率点实现交流分量有效控制。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制的基本原理对于某个交流频率分量f0，对其进行延时处理，延时时间为该分量的周期；然后将输出构建正反馈，经过正反馈控制后，该控制器会将该交流分频率分量显著放大，而其他频率点(f0非整数倍)的分量比例就会相应减小；该环节表现为只对频率为f0及频率为f0整数倍的交流信号有增益的控制作用；重复控制器的表达式可以表示为：不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制的基本原理

在连续域和离散域中的框图可以表示为：

在实际应用场合中，由于延时环节

难以用模拟电路实现，因此重复控制通常通过离散域下的数字控制实现，其离散域的控制表达式可以写为如下形式，控制框图如右边所示：

式中，

，

为控制系统采样频率，

为待控制谐波信号的基础频率。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制的基本原理

自然对数展开，可得：1、重复控制包含多个无穷多个谐振控制器，谐振频率点为整数倍

，因此其可对多个交流频率分量进行控制。2、重复控制包含一个无法灵活调节的PI控制，其会对直流分量控制产生影响，但由于其PI控制参数自身不独立，且与谐振器参数不独立，因此其不适合参与直流分量的误差调节。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制的基本原理

为了使得重复控制调节器在实际应用环境中达到理想的周期性交流信号调节能力，通常需要对其进行进一步的改进。 1）低通滤波器或者小于1.0的常数环节

重复控制器极点分布在虚轴上，导致实际控制中系统处在临界稳定状态，为了改善参数变化或工况调节下系统稳定性，需要引入一个可以是低通滤波器环节或者是小于1.0的常数环节。虽然会对调节能力造成一定影响，但能确保其稳定可靠工作。不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制的基本原理 2）重复控制调节器增益系数

增益系数

用来调节控制的补偿强度。当

较小时，误差信号的收敛速度较慢，稳态误差有所上升，但系统稳定性得到加强；通常

设定为小于或等于1的常数。

实际应用场合中的重复控制调节器表达式通常可以写为：

其中

为加入的低通滤波器或者小于1.0的常数，以确保重复控制调节器能够稳定工作；

用于调节重复控制调节器的控制频率。

不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制的基本原理 2）重复控制调节器增益系数

的引入还可以解决

非整数的问题，导致传统重复控制调节器无法直接离散化，此时需要将

设计为：

其中D为Q的分数部分，此时

不仅能够解决上述问题，同时由于其类似于低通滤波器特性从而有利于改善重复控制调节器的稳定性。

不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制的基本原理 2）重复控制调节器增益系数

重复控制调节器波特图

重复控制器在重复控制频率点上具有较高增益，因此其可同时实现300Hz，600Hz以及900Hz等高次谐波分量的控制。

不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制器的改进设计

可以看出传统的重复控制器还有以下缺点：

第一，在各个控制频率处的控制带宽不足，从而干扰导致其对于电网频率偏移的鲁棒性较差。

第二，随着控制频率的增加，其幅值增益将有较为明显的下降，从而导致对较高频率的周期性交流信号调节能力不足。

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应用于新能源机组时，重复控制器需要进行控制带宽、幅值两方面的改进。

首先扩展控制带宽，需要在传统重复控制调节器的基础上引入带宽参数，并合理设定参数值，以确保在电网频率偏移时具有良好的稳态控制精度。

传统重复控制调节器中包含了非正常PI部分以及一系列的谐振器之和，因此可以将其中的非正常PI部分移除，从而提取出谐振器部分如下表达式: 不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制器的改进设计

由于每个谐振器可以相互独立工作，在各控制频率处有足够大的幅值增益，对每一个谐振器可分别引入谐振带宽参数

进一步推导为

: 不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制器的改进设计

的波特图和放大图

在控制频率300Hz，600Hz，900Hz处具有相同的幅值响应，仅仅在非控制频率处有稍许不同的幅值响应，从而确保交流信号调节能力。

不平衡/谐波电网下新能源发电控制技术©浙江大学电气工程学院6.3基于重复控制的新能源系统运行技术重复控制器的改进设计

引入带宽补偿后的重复控制器可以表示为：

是BRC调节器的增益系数，进一步的，离散域BRC表达式可表示为：

不平衡/谐波电网下新能源发