逆變器作為電力電子系統(tǒng)的核心設(shè)備，負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，廣泛應(yīng)用于新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)、工業(yè)電源等領(lǐng)域。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)逆變器輸出電能質(zhì)量的要求日益提高，傳統(tǒng)控制方法難以滿(mǎn)足高精度、低諧波的需求。重復(fù)控制作為一種基于內(nèi)模原理的先進(jìn)控制策略，通過(guò)周期性誤差累積與補(bǔ)償，顯著提升了逆變器的穩(wěn)態(tài)性能。本文深入探討逆變器重復(fù)控制的原理、實(shí)現(xiàn)方法、應(yīng)用場(chǎng)景及優(yōu)化策略，為電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論支持。

一、重復(fù)控制的基本原理與結(jié)構(gòu)

1.1 內(nèi)模原理與重復(fù)控制機(jī)制

重復(fù)控制由日本學(xué)者Inoue于1981年提出，其核心思想是構(gòu)建一個(gè)與擾動(dòng)信號(hào)頻譜相同的內(nèi)部模型，通過(guò)跨周期誤差累積實(shí)現(xiàn)周期性信號(hào)的精確跟蹤與干擾抑制。在逆變器控制中，重復(fù)控制器通過(guò)以下機(jī)制發(fā)揮作用：

?周期延遲環(huán)節(jié)(z-N)?：延時(shí)一個(gè)基波周期(N個(gè)采樣點(diǎn))，使誤差信號(hào)從下一周期開(kāi)始校正，同時(shí)為超前補(bǔ)償提供條件。

?補(bǔ)償器(S(z))?：用于修正逆變器模型的幅頻特性，抵消LC濾波器的諧振峰值，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

?超前環(huán)節(jié)(zk)?：補(bǔ)償補(bǔ)償器和逆變器模型的時(shí)間延遲，確保相位裕度。

?低通濾波器(Q(z))?：抑制高頻噪聲，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性，通常設(shè)計(jì)為接近1的常數(shù)或低通濾波器。

1.2 重復(fù)控制器的穩(wěn)定性分析

重復(fù)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性依賴(lài)于閉環(huán)傳遞函數(shù)H(z)的增益特性。根據(jù)小增益原理，系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件為：

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

其中，H(z) = Q(z) - K_r z^k S(z) P(z)。通過(guò)合理設(shè)計(jì)Q(z)、S(z)和k，可確保系統(tǒng)在寬頻范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3 重復(fù)控制的收斂特性

重復(fù)控制的收斂速度取決于誤差衰減因子H(z)。在理想情況下，經(jīng)過(guò)M個(gè)周期后，誤差信號(hào)衰減為：

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

這表明重復(fù)控制通過(guò)周期性誤差累積，逐步消除穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差跟蹤。

二、逆變器重復(fù)控制的實(shí)現(xiàn)方法

2.1 數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的應(yīng)用

現(xiàn)代逆變器廣泛采用DSP(如TMS320F240、TMS320F28335)實(shí)現(xiàn)重復(fù)控制算法。DSP的優(yōu)勢(shì)包括：

?高速數(shù)據(jù)處理能力?：支持實(shí)時(shí)采樣、濾波和PWM信號(hào)生成。

?豐富的外設(shè)接口?：集成PWM輸出、電流測(cè)量、通信接口(如RS232)和模擬輸入/輸出通道。

?軟件可編程性?：便于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法，如重復(fù)控制與PI控制的復(fù)合策略。

2.2 重復(fù)控制與電流內(nèi)環(huán)的復(fù)合控制

單純重復(fù)控制存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢的缺點(diǎn)，因此常與電流內(nèi)環(huán)結(jié)合，形成雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)：

?電流內(nèi)環(huán)?：快速響應(yīng)負(fù)載變化，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能。

?重復(fù)控制外環(huán)?：抑制周期性諧波，降低總諧波畸變率(THD)。

通過(guò)合理設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)的PI參數(shù)，可顯著提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。

2.3 重復(fù)控制器的參數(shù)整定

重復(fù)控制器的性能依賴(lài)于參數(shù)整定，關(guān)鍵參數(shù)包括：

?周期延遲N?：通常取基波周期的采樣點(diǎn)數(shù)，確保誤差信號(hào)跨周期累積。

?補(bǔ)償器S(z)?：設(shè)計(jì)為二階低通濾波器，抵消LC濾波器的諧振峰值。

?超前步長(zhǎng)k?：根據(jù)系統(tǒng)延遲時(shí)間確定，通常通過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)整。

?增益Kr?：影響重復(fù)控制器的輸出幅度，需在穩(wěn)定性和收斂速度間權(quán)衡。

三、逆變器重復(fù)控制的應(yīng)用場(chǎng)景

3.1 新能源發(fā)電系統(tǒng)

在光伏并網(wǎng)逆變器中，重復(fù)控制可有效抑制電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的諧波，提高并網(wǎng)電能質(zhì)量。例如，通過(guò)重復(fù)控制，逆變器輸出電流的THD可從4.84%降至1.54%，顯著降低對(duì)電網(wǎng)的污染。

3.2 工業(yè)電源系統(tǒng)

在電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電鍍電源等工業(yè)應(yīng)用中，逆變器需提供高精度交流電。重復(fù)控制通過(guò)抑制周期性干擾，確保輸出電壓和電流的穩(wěn)定性，滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)對(duì)電能質(zhì)量的嚴(yán)格要求。

3.3 電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)

電動(dòng)汽車(chē)充電樁的逆變器需快速響應(yīng)電池充電狀態(tài)的變化。重復(fù)控制與預(yù)測(cè)控制的結(jié)合，可提前調(diào)整逆變器輸出，實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的充電過(guò)程，提升充電效率。

四、逆變器重復(fù)控制的優(yōu)化策略

4.1 自適應(yīng)重復(fù)控制

通過(guò)引入自適應(yīng)算法，重復(fù)控制器可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整參數(shù)，增強(qiáng)魯棒性。例如，在負(fù)載突變時(shí)，自適應(yīng)重復(fù)控制可快速收斂，避免系統(tǒng)失穩(wěn)。

4.2 有限維重復(fù)控制

針對(duì)傳統(tǒng)重復(fù)控制計(jì)算量大的問(wèn)題，有限維重復(fù)控制通過(guò)簡(jiǎn)化內(nèi)模結(jié)構(gòu)，降低DSP的計(jì)算負(fù)擔(dān)，適用于實(shí)時(shí)性要求高的場(chǎng)景。

4.3 滑模重復(fù)控制

結(jié)合滑模控制的魯棒性和重復(fù)控制的穩(wěn)態(tài)精度，滑模重復(fù)控制可有效抑制非線(xiàn)性擾動(dòng)，提升系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的性能。

五、結(jié)論與展望

重復(fù)控制作為一種先進(jìn)的逆變器控制策略，通過(guò)周期性誤差累積與補(bǔ)償，顯著提升了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和抗干擾能力。隨著DSP技術(shù)的進(jìn)步和新型控制算法的涌現(xiàn)，重復(fù)控制在新能源發(fā)電、工業(yè)電源和電動(dòng)汽車(chē)等領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊。未來(lái)研究可聚焦于自適應(yīng)重復(fù)控制、有限維重復(fù)控制和滑模重復(fù)控制的優(yōu)化，進(jìn)一步推動(dòng)電力電子系統(tǒng)向高效、穩(wěn)定、智能的方向發(fā)展。