如何兼顾谐波抑制与系统鲁棒性？中原工学院团队提出基于重复扩张状态观测器的自抗扰控制方法

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导语

新能源大规模接入配电网，并网逆变器需应对电压畸变、参数变化与电网阻抗不确定等弱电网难题，如何兼顾周期谐波抑制与系统鲁棒性成为并网逆变器控制的关键。中原工学院赵强松团队提出基于重复扩张状态观测器（RESO）的自抗扰控制（ADRC）策略，为复杂工况下高质量并网提供新思路。

研究背景

分布式新能源接入规模持续扩张，中低压配电网呈现显著弱电网特征。系统面临两类扰动：电网背景谐波、逆变器死区效应诱发周期谐波，致使并网电流质量劣化；滤波器参数变化、器件老化、电网阻抗波动引入被控对象模型不确定性。传统自抗扰控制鲁棒性优异，但扩张状态观测器带宽受限，高频周期谐波观测精度不足，提高带宽会放大噪声、削弱系统稳定性。重复控制可抑制周期扰动，却高度依赖精确模型，参数失配易引发性能退化乃至失稳，实现二者优势互补是本文研究动因。

论文所解决的问题及意义

针对自抗扰控制周期谐波观测能力不足、重复控制对模型摄动高度敏感的固有缺陷，本文将重复控制机理嵌入扩张状态观测器，构建重复扩张状态观测器，由此形成 RESOADRC 控制架构。

该方法摒弃多控制器简单级联的传统思路，将周期扰动内模植入扰动观测通路，实现对基波整数倍次谐波的高精度观测，规避全频段带宽提升带来的噪声增益问题，同时继承自抗扰控制对模型依赖度低的固有特性，从机制上调和谐波抑制与系统鲁棒性之间的设计矛盾。

论文方法及创新点

该文分析了 LCL 型并网逆变器的广义扰动，指出其由电网电压、电网电流、逆变器死区谐波及模型参数偏差等因素共同构成，扰动频谱集中在基波及其整数倍谐波处。

在此基础上，研究团队提出 RESO，将比例重复控制作为周期扰动的内模引入扩张状态观测器，使观测器具有针对大量周期谐波的精确观测能力。图1给出了从传统ESO到RESO 的结构改进，是整项工作的核心框图。

图1 从传统ESO到RESO的结构改进

主要创新可以概括为三点：

第一，提出重复扩张状态观测器 RESO，实现对多频次周期谐波扰动的集中观测。相较于多谐振环节方案，RESO 的结构与参数配置更为精简。

第二，设计了与 RESO 相匹配的补偿器和观测带宽调节方法。将重复控制约束在观测器内部，削弱算法对逆变器参数的敏感度；借助零相位低通滤波器约束观测带宽，兼顾周期扰动观测与高频噪声抑制。

第三，建立 RESO-ADRC 的稳定性、抗扰性和鲁棒性分析方法，并给出参数设计原则。理论证明合理补偿下重复环节不破坏 RESO 收敛特性，观测器具备良好模型独立性；分析参数对动态、鲁棒性能的影响，为工程整定提供理论依据。

实验验证：高谐波扰动和模型变化下仍保持良好性能

研究团队在一台 1.5 kW 单相三电平并网逆变器实验平台上对所提出的方法进行了验证。实验系统采用 10 kHz 采样频率，并与传统重复控制和传统 ADRC 进行了对比。

图2 单相三电平并网逆变器实验平台

首先，在控制器参数恒定条件下，将 LCL 滤波器由 A 更换为参数差异显著的滤波器 B。实验表明，RESOADRC 运行状态几乎不受参数变动影响，传统重复控制则出现明显振荡，验证了该方法在被控对象对象参数摄动下具备优异的稳态性能与鲁棒性。

表1 并网逆变器的参数

图3 传统重复控制滤波器A→B的电网电压电流波形

图4 RESO-ADRC滤波器A→B的电网电压电流波形

其次，在电网电压严重畸变条件下，当电网电压 THD 达到 13.3% 时，采用 RESO-ADRC 后的并网电流 THD 仍可保持在 1.7%。这表明 RESO 对周期谐波扰动的精确观测能够有效降低电网电压畸变对并网电流质量的影响。

图5 电压严重畸变弱电网下的稳态性能

进一步的弱电网实验表明，随着电网阻抗从 0 mH 增大至 5 mH，并网电流 THD 始终保持在 1.0% 以下，说明该方法对电网阻抗变化具有较强适应能力。

结论

本文所提 RESOADRC 融合重复控制周期内模与自抗扰扰动观测补偿机制，既可对并网逆变器多类周期谐波实现精准观测补偿，又对模型参数变化具备较强鲁棒性。

实验证实，该算法在强谐波扰动、对象参数摄动、弱电网阻抗不确定工况下均可维持优良稳态性能，验证了其在提升并网电流品质与参数鲁棒性上的有效性。工程层面，该成果为复杂电网下新能源并网变流器高性能控制提供新的技术路径，尤其适配周期谐波与模型不确定性共存场景。

实验同时揭示，增大输入增益可强化系统鲁棒性，但会牺牲部分动态响应速度，实际工程需依据工况在二者间合理折中。后续可针对三相并网系统、电网频率波动及全工况条件，进一步开展相关控制性能研究。

团队介绍

本文依托中原工学院（河南电子科技大学（筹））先进控制与新能源科技河南省国际联合实验室完成。主要研究方向包括电力电子系统建模与控制，以及重复控制、自抗扰控制等先进控制方法在新能源并网逆变器中的应用。近年来，该团队承担了包括国家自然科学基金、河南省自然科学基金重点项目、河南省重点研发专项项目等在内的多项科研项目。

赵强松

博士，教授，博士生导师，河南省教育厅学术技术带头人，河南省高校青年骨干教师，IEEE PES中国专业分会联合会（PCCC）中国区青年委员会理事，中国指挥与控制学会自抗扰控制专委会委员。主持国家自然科学基金、河南省自然科学基金重点项目等多项科研项目。研究方向为重复控制、自抗扰控制等先进控制方法及应用。

王启帆

硕士生（现为天津大学博士生），研究方向为先进抗扰控制。硕士期间在《电工技术学报》、IEEE Transactions on Power Electronics、IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs发表论文3篇。

夏元清

博士，教授，博士生导师，中原工学院校长，北京理工大学讲席教授，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授，国家“万人计划”领军人才，中原学者，IEEE Fellow，CAA Fellow，享受国务院政府特殊津贴专家。承担国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、973计划等多层次科研项目多项。研究方向为云网边端协同云控制、智能优化与协同决策、自抗扰控制等。

本工作成果发表在2026年第12期《电工技术学报》，论文标题为"基于重复扩张状态观测器的自抗扰控制及并网逆变器应用"。本课题得到国家自然科学基金项目、河南省自然科学基金重点项目和中原工学院优秀科技创新人才支持计划项目资助。

引用本文

赵强松, 王启帆, 夏元清, 王军, 卢利军. 基于重复扩张状态观测器的自抗扰控制及并网逆变器应用[J]. 电工技术学报, 2026, 41(12): 4203-4215. Zhao Qiangsong, Wang Qifan, Xia Yuanqing, Wang Jun, Lu Lijun. Active Disturbance Rejection Control Based on Repetitive Extended State Observer and Its Application in the Grid-Connected Inverter. Transactions of China Electrotechnical Society, 2026, 41(12): 4203-4215.