逆变器重复控制技术：原理、应用与优化

逆变器作为电力电子系统的核心设备，负责将直流电转换为交流电，广泛应用于新能源发电、电动汽车、工业电源等领域。随着电力电子技术的快速发展，对逆变器输出电能质量的要求日益提高，传统控制方法难以满足高精度、低谐波的需求。重复控制作为一种基于内模原理的先进控制策略，通过周期性误差累积与补偿，显著提升了逆变器的稳态性能。本文深入探讨逆变器重复控制的原理、实现方法、应用场景及优化策略，为电力电子系统的设计提供理论支持。

一、重复控制的基本原理与结构

1.1 内模原理与重复控制机制

重复控制由日本学者Inoue于1981年提出，其核心思想是构建一个与扰动信号频谱相同的内部模型，通过跨周期误差累积实现周期性信号的精确跟踪与干扰抑制。在逆变器控制中，重复控制器通过以下机制发挥作用：

‌周期延迟环节(z-N)‌：延时一个基波周期(N个采样点)，使误差信号从下一周期开始校正，同时为超前补偿提供条件。

‌补偿器(S(z))‌：用于修正逆变器模型的幅频特性，抵消LC滤波器的谐振峰值，提高系统稳定性。

‌超前环节(zk)‌：补偿补偿器和逆变器模型的时间延迟，确保相位裕度。

‌低通滤波器(Q(z))‌：抑制高频噪声，增强系统鲁棒性，通常设计为接近1的常数或低通滤波器。

1.2 重复控制器的稳定性分析

重复控制系统的稳定性依赖于闭环传递函数H(z)的增益特性。根据小增益原理，系统稳定的充分条件为：

∣H(ejωTs)∣<1对所有ω∈[0,π/Ts]∣H(ejωTs)∣<1对所有ω∈[0,π/Ts]

其中，H(z) = Q(z) - K_r z^k S(z) P(z)。通过合理设计Q(z)、S(z)和k，可确保系统在宽频范围内稳定运行。

1.3 重复控制的收敛特性

重复控制的收敛速度取决于误差衰减因子H(z)。在理想情况下，经过M个周期后，误差信号衰减为：

e(MTs)=H(z)Me(0)e(MTs)=H(z)Me(0)

这表明重复控制通过周期性误差累积，逐步消除稳态误差，实现无静差跟踪。

二、逆变器重复控制的实现方法

2.1 数字信号处理器(DSP)的应用

现代逆变器广泛采用DSP(如TMS320F240、TMS320F28335)实现重复控制算法。DSP的优势包括：

‌高速数据处理能力‌：支持实时采样、滤波和PWM信号生成。

‌丰富的外设接口‌：集成PWM输出、电流测量、通信接口(如RS232)和模拟输入/输出通道。

‌软件可编程性‌：便于实现复杂控制算法，如重复控制与PI控制的复合策略。

2.2 重复控制与电流内环的复合控制

单纯重复控制存在动态响应慢的缺点，因此常与电流内环结合，形成双环控制结构：

‌电流内环‌：快速响应负载变化，提高系统动态性能。

‌重复控制外环‌：抑制周期性谐波，降低总谐波畸变率(THD)。

通过合理设计电流内环的PI参数，可显著提升系统的稳定性和鲁棒性。

2.3 重复控制器的参数整定

重复控制器的性能依赖于参数整定，关键参数包括：

‌周期延迟N‌：通常取基波周期的采样点数，确保误差信号跨周期累积。

‌补偿器S(z)‌：设计为二阶低通滤波器，抵消LC滤波器的谐振峰值。

‌超前步长k‌：根据系统延迟时间确定，通常通过实验调整。

‌增益Kr‌：影响重复控制器的输出幅度，需在稳定性和收敛速度间权衡。

三、逆变器重复控制的应用场景

3.1 新能源发电系统

在光伏并网逆变器中，重复控制可有效抑制电网电压波动引起的谐波，提高并网电能质量。例如，通过重复控制，逆变器输出电流的THD可从4.84%降至1.54%，显著降低对电网的污染。

3.2 工业电源系统

在电机驱动、电镀电源等工业应用中，逆变器需提供高精度交流电。重复控制通过抑制周期性干扰，确保输出电压和电流的稳定性，满足工业生产对电能质量的严格要求。

3.3 电动汽车充电系统

电动汽车充电桩的逆变器需快速响应电池充电状态的变化。重复控制与预测控制的结合，可提前调整逆变器输出，实现高效、稳定的充电过程，提升充电效率。

四、逆变器重复控制的优化策略

4.1 自适应重复控制

通过引入自适应算法，重复控制器可根据系统运行状态自动调整参数，增强鲁棒性。例如，在负载突变时，自适应重复控制可快速收敛，避免系统失稳。

4.2 有限维重复控制

针对传统重复控制计算量大的问题，有限维重复控制通过简化内模结构，降低DSP的计算负担，适用于实时性要求高的场景。

4.3 滑模重复控制

结合滑模控制的鲁棒性和重复控制的稳态精度，滑模重复控制可有效抑制非线性扰动，提升系统在恶劣环境下的性能。

五、结论与展望

重复控制作为一种先进的逆变器控制策略，通过周期性误差累积与补偿，显著提升了系统的稳态性能和抗干扰能力。随着DSP技术的进步和新型控制算法的涌现，重复控制在新能源发电、工业电源和电动汽车等领域的应用前景广阔。未来研究可聚焦于自适应重复控制、有限维重复控制和滑模重复控制的优化，进一步推动电力电子系统向高效、稳定、智能的方向发展。