基于Van der Pol虚拟振荡器控制的均流滤波谐波电压抑制策略 / 用于谐波电压抑制的平均滤波型虚拟振荡器控制(Average-Filtering Virtual Oscillator Control for Harmonic Voltage Mitigation)

《International Transactions on Electrical Energy Systems》：Average-Filtering Virtual Oscillator Control for Harmonic Voltage Mitigation

　　

摘要：虚拟振荡器控制（Virtual Oscillator Control, VOC）是一种应用于微电网的构网型（Grid-Forming, GFM）控制策略，使逆变器模拟弱非线性振荡器的行为。与下垂控制（Droop Control）相比，VOC因其时域特性具有更快的暂态响应。然而，Van der Pol振荡器的三次非线性会产生谐波电压，特别是三次谐波，降低了逆变器供电质量。本文提出一种基于平均滤波（Average-Filtering）的VOC以抑制逆变器输出电压的谐波畸变。通过将Van der Pol振荡器输出电压分解为直流（DC）与交流（AC）分量，并利用其正弦对称性，经由单周期积分显著抑制谐波分量。研究人员通过多种仿真与实验验证了所提VOC在抑制谐波方面的有效性。相较于原始VOC，所提基于平均滤波的VOC将输出电压总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）从2.6%显著降低至0.99%，三次谐波电压由2.28%降至0.18%。该方法兼顾动态响应与电能质量，增强了工程适用性。

论文解读：基于平均滤波型虚拟振荡器控制(Average-Filtering VOC)的微电网逆变器谐波抑制研究

一、研究背景与意义

随着风能、太阳能等分布式能源（Distributed Energy Resources, DERs）的大规模接入，微电网技术成为关键。作为DERs与电网的接口，逆变器的控制策略至关重要。构网型控制（Grid-Forming, GFM）如下垂控制（Droop Control）、虚拟同步发电机（Virtual Synchronous Generator, VSG）及虚拟振荡器控制（Virtual Oscillator Control, VOC）是主流方案。其中VOC基于Van der Pol等非线性振荡器的极限环特性产生参考电压，具有无通信线下快速暂态响应及自同步优势。然而，标准Van der Pol振荡器中的三次非线性项会引入显著的低次谐波（尤以三次谐波为主），导致输出电压总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion, THD）偏高，限制了VOC的工程应用。现有改进方案如陷波器增加硬件成本、修改振荡器电流源函数对负载波动鲁棒性差、基于Andronov-Hopf振荡器的方案计算复杂。为此，研究人员开展本研究，提出一种不改变振荡器内部结构、通过外部平均滤波单元提取基波以消除谐波的平均滤波型VOC，旨在解决VOC动态响应与电能质量之间的折中矛盾。该论文发表于《International Transactions on Electrical Energy Systems》。

二、主要关键技术方法

研究人员建立Van der Pol振荡器状态空间数学模型，推导其三次谐波幅值与非线性系数ε的关系；设计平均滤波（Average Filter）算法，对VOC输出的αβ静止坐标系电压信号v_α、v_β分别进行单周期滑动积分处理——即将瞬时电压乘以sinωt和cosωt后在一个工频周期内积分以获取直流幅值分量V_α1、V_α2，再重构纯净基波参考电压；搭建三相逆变器LCL滤波电路及数字控制器（αβ坐标系下），采用空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）；分别在MATLAB/Simulink仿真及基于dSPACE DS1202的实验平台上，对比原始Van der Pol VOC、改进型（二次项修正）VOC及所提平均滤波VOC的输出电压THD及各次谐波含有率。

三、研究结果

2. Model of Van der Pol Oscillator

研究人员推导了Van der Pol振荡器的电容电压与电感电流状态方程及输出电压表达式，嵌入了自然的下垂特性（等效有功/无功droop系数m_P、m_Q）。通过多尺度法（Method of Multiple Scales）分析得出三次谐波与基波幅值比δ_3:1与参数ε成正比，而上升时间t_rise与ε成反比，证明存在动态响应速度与电能质量的Trade-off。FFT分析显示原始振荡器输出三次谐波含量超2%。

3. Average-Filter-Based VOC

3.1. System Description：介绍了含直流源、三相逆变桥、LCL滤波器及数字控制器的三相系统，VOC在αβ坐标系运行，参考电压经平均滤波后送SVPWM。

3.2. Average-Filter Algorithm：阐述连续周期T内求取信号滑动平均值原理——对瞬时值积分并与延迟一个周期的积分解相减得单周期积分再除以T。利用正弦函数整周期积分为零特性，高于基波的谐波分量整周期积分趋于零而被滤除。

3.3. Average-Filter-Based VOC：将VOC输出v_α分解为基波v_αf和谐波v_h，分别乘以2sinωt和2cosωt后在一个周期2T内积分，提取基波幅值直流分量V_α1、V_α2，再合成无谐波的基波参考信号。FFT验证显示滤波后三次谐波降至0.04%以下。

4. Simulation and Experimental Results

4.1. Simulation Results：原始VOC输出电压THD=2.69%、三次谐波2.28%；改进VOC（二次项）THD=1.56%、三次谐波0.36%；所提平均滤波VOC THD进一步降至1.39%，三次谐波<0.2%，高次谐波亦明显抑制。

4.2. Experimental Results：实验样机测试表明，原始VOC THD=2.60%、三次谐波2.28%；改进VOC THD=1.15%、三次谐波0.20%；所提平均滤波VOC THD=0.99%、三次谐波0.18%、五次谐波0.65%，综合谐波抑制效果最优。

四、讨论与结论翻译

研究表明，基于Van der Pol振荡器的VOC中，振荡器的三次非线性导致输出电压（特别是三次谐波）显著畸变，降低微电网逆变器电能质量。为消除谐波电压，研究人员提出平均滤波型VOC。通过对Van der Pol振荡器输出电压分解为直、交流分量并利用正弦对称性，采用单周期积分有效抑制谐波分量。仿真与实验证明，相较于其他两种VOC方法，平均滤波型VOC对三次及高次谐波