Improvement of harmonic suppression control strategy for electrical secondary system in new energy grid-connected scenario
Abstract: With the large-scale integration of renewable energy sources such as wind and photovoltaic power into the grid, the variability of their output and the characteristics of power electronics equipment have led to increasingly prominent harmonic issues in the electrical secondary system, seriously affecting the operational reliability of secondary equipment such as relay protection and power quality monitoring. Addressing the deficiencies of existing harmonic suppression control strategies (such as PI control and adaptive control) in terms of response speed, steady-state accuracy, and robustness, this paper proposes an improved control strategy combining Model Predictive Control (MPC) and Adaptive Disturbance Observer (ADO). Firstly, the harmonic generation mechanism of renewable energy integration into the grid and the sensitive characteristics of the secondary system are analyzed, revealing the limitations of existing strategies through data comparison. Subsequently, the overall framework of the improved strategy is designed, optimizing the disturbance observation parameters of the ADO and the rolling optimization mechanism of the MPC. Finally, a simulation platform is built based on MATLAB/Simulink, and the performance of the improved strategy is verified through static, dynamic, and robustness tests.
Keywords: new energy grid connection; electrical secondary system; harmonic suppression; model predictive control; adaptive disturbance observer
引言
近年来，全球能源体系向更加清洁和可持续的方向转变，风电和光伏等新能源因其环保特性，其装机规模不断上升。电气二次系统作为电力系统的关键部分，负责继电保护、计量测量、监控调度等核心任务，对谐波的敏感性远超一次系统。谐波电流可能引发继电保护误动作或失效，谐波电压则可能增大测量误差，极端情况下可能导致电力系统事故。目前采用的谐波抑制控制策略，如传统的PI控制、自适应控制和无源控制等，都有其固有的限制。鉴于此，针对新能源接入的特定需求，研发一种融合快速响应、精确稳态和良好鲁棒性的谐波抑制控制方法，对于确保电气二次系统的稳定运行具有实际价值。。
1 新能源并网对电气二次系统的谐波影响分析
1.1 新能源并网的谐波产生机理
新能源并网系统中，谐波主要来源于电力电子逆变器的开关特性与新能源出力的波动性。逆变器采用脉宽调制（PWM）技术实现直流电能向交流电能的转换，PWM 开关过程中，开关管的导通与关断会产生周期性的电压、电流突变，进而在电网中产生以开关频率为基波的高次谐波（如 11、13 次谐波），同时由于逆变器拓扑结构（如两电平、三电平）的非对称性，还会产生 3 次、5 次等低次谐波。以光伏逆变器为例，其输出电流的谐波含量与开关频率正相关 —— 当开关频率从 5kHz 提升至 10kHz 时，20 次以上高次谐波含量可降低 30%，但低次谐波（3、5 次）受调制比影响更大，调制比从 0.8 降至 0.6 时，3 次谐波含量会增加 25%。
1.2 电气二次系统的谐波敏感特性
电气二次系统由继电保护装置、电能质量监测仪、远动终端（RTU）等设备组成，这些设备的工作原理与信号处理方式决定了其对谐波的高度敏感性。从继电保护装置来看，其核心功能是根据电网电流、电压信号判断故障状态，而谐波会干扰故障特征量的提取 —— 例如，过电流保护装置的动作阈值基于基波电流设定，当 3 次谐波电流含量超过基波电流的 10% 时，保护装置可能将谐波电流误判为故障电流，导致误动作；距离保护装置通过测量阻抗判断故障位置，谐波电压会使测量阻抗产生偏差，当 7 次谐波电压含量为额定电压的 5% 时，测量阻抗误差可达 8%，可能导致保护范围缩小。
在电能质量监测领域，设备普遍使用傅里叶变换（FFT）对电压和电流信号中的谐波进行解析。然而，当信号中的谐波含量增加时，FFT分析可能会引起频谱泄漏，从而增加谐波测量的误差。根据实验数据，随着总谐波畸变率（THD）从1%增加到5%，电能质量监测设备对于3次谐波的测量误差将从0.5%增加到3.2%，而对于5次谐波的误差将从0.6%上升到3.8%。在远动终端方面，其职责是向上传输二次系统的信号至调度中心。谐波的存在会降低信号传输过程中的信噪比，当THD超过4%时，远动信号的误码率将从10的负6次方增加到10的负4次方，这会影响调度中心对电网运行状态的精准评估。
为量化新能源渗透率对二次系统谐波的影响，本文统计了不同渗透率下二次系统母线的谐波含量，结果如表 1 所示。
由表 1 可知，随着新能源渗透率从 10% 增至 50%，二次系统母线的 3 次谐波电压从 0.8kV 增至 3.3kV，增幅达 312.5%；总谐波畸变率 THD 从 1.2% 增至 4.5%，超过 GB/T 14549-1993《电能质量 公用电网谐波》中规定的 3% 限值（110kV 电网），表明新能源渗透率提升会显著加剧二次系统的谐波问题，亟需优化谐波抑制控制策略。
2 现有电气二次系统谐波抑制控制策略的局限性
目前，电气二次系统常用的谐波抑制控制策略主要包括传统 PI 控制、自适应控制及无源控制，这些策略在新能源并网场景下的性能缺陷逐渐凸显，难以满足二次系统对谐波抑制的高要求。
2.1 传统 PI 控制策略的不足
PI控制因其架构简便和易于实施而广泛用于二次系统的谐波控制。尽管如此，由于它基于线性稳定系统设计，难以适应新能源并网所带来的动态变化。在响应速度方面，PI控制的参数（如比例系数Kp和积分时间Ti）需针对系统的稳态条件进行调整。在新能源发电快速波动的情况下（例如，光伏发电在0.5秒内减少30%），PI控制器难以迅速调整控制输入，这导致谐波抑制存在延迟。实验结果表明，传统PI控制的阶跃响应时间大约在0.5至0.7秒之间，在新能源发电急剧变化时，谐波电流的峰值下降时间超过0.6秒，未能有效迅速地抑制谐波波动。
2.2 自适应控制策略的鲁棒性缺陷
自适应控制通过实时调整控制参数，以适应系统工况的变化，在新能源并网场景中得到一定应用。然而，该策略的鲁棒性不足，在多干扰叠加场景下（如新能源出力波动与电网电压波动同时存在），易出现参数整定失准的问题。例如，当风电出力突变 20% 且电网电压跌落 10% 时，自适应控制器的参数调整时间会从 0.3s 延长至 0.8s，期间谐波电流含量会从 1.5A 增至 3.2A，控制偏差达 8%~10%。
2.3 无源控制策略的动态性能短板
无源控制基于系统的无源特性设计，通过能量耗散实现谐波抑制，具有较强的稳定性，但该策略的动态调节性能较差，无法满足二次系统对实时性的要求。无源控制的动态调节时间主要取决于能量耗散率，为保证系统稳定，通常设定较低的能量耗散率，导致动态响应缓慢 —— 在新能源出力从 50% 额定功率升至 100% 时，无源控制的动态调节时间约为 0.8~1.0s，期间谐波 THD 会从 2.0% 增至 3.8%，超出二次系统的允许范围。
从负载适应性来看，无源控制的参数针对特定负载工况整定，当二次系统负载变化（如继电保护装置投退导致负载电流变化 30%）时，无源控制的谐波抑制效果显著下降，THD 会增加 1.5%~2.0%。
3 新能源并网场景下谐波抑制控制策略改进设计
针对现有策略的局限性，本文提出一种结合模型预测控制（MPC）与自适应干扰观测器（ADO）的改进谐波抑制控制策略，通过 ADO 实时观测新能源波动与电网干扰，利用 MPC 的滚动优化特性实现快速、精准的谐波抑制，兼顾响应速度、稳态精度与鲁棒性。
3.1 改进控制策略的整体框架
该改进控制策略的结构分为四个层级：信号采集层、干扰检测层、控制决策层和执行层。信号采集层利用电气二次系统的谐波监测装置，持续收集母线电压和电流信号（采样频率为5kHz），并对此信号进行滤波处理，以去除高频噪音干扰。干扰检测层中的自适应干扰观测器（ADO）接收采集到的信号，实时监控新能源发电波动（如光伏发电光照强度、风电风速）以及电网电压波动等干扰信号，并计算相应的干扰补偿值。控制决策层配备有模型预测控制（MPC）控制器，根据二次系统设定的谐波抑制目标（总谐波失真率THD≤2.5%），结合ADO提供的干扰补偿数据，构建谐波电流的预测模型，并通过滚动优化算法确定最佳控制输入。执行层则负责将MPC输出的控制信号传递给二次系统的执行元件（如APF、逆变器控制模块），调节输出电流或电压，以达到谐波抑制的目的。同时，谐波监测模块会持续将谐波数据反馈给MPC控制器，以实现闭环控制过程。
该框架的核心优势在于：ADO 可提前观测并补偿干扰，避免干扰对控制效果的影响；MPC 通过滚动优化实现多目标控制（谐波抑制、控制量平滑），兼顾动态与稳态性能，且计算复杂度可控，适配二次系统的嵌入式硬件。
3.2 自适应干扰观测器（ADO）的参数优化
ADO 的核心功能是观测新能源并网场景中的干扰信号（如新能源出力波动、电网电压波动），为 MPC 提供干扰补偿，其观测精度直接影响改进策略的性能。传统 ADO 的观测增益为固定值，无法适应干扰信号的动态变化，因此本文对 ADO 的增益参数进行优化，设计基于干扰变化率的自适应增益调节规则。
首先，明确 ADO 的观测逻辑：设干扰信号为实际存在的扰动变量，观测器输出的干扰估计值为对该扰动的实时估算结果，两者的差值即为观测误差。ADO 的状态更新规则为干扰估计值的变化率与观测误差及观测增益相关，其中观测增益是决定观测速度与精度的关键参数。传统 ADO 中观测增益为固定值（记为 K0），本文设计的观测增益（记为 K (t)）随干扰变化率动态调整：当干扰变化率的绝对值小于阈值（ε 取 0.1pu/s）时，干扰变化平缓，设定 K (t)=K0（K0=50），避免观测值因增益过高出现震荡；当干扰变化率的绝对值大于等于阈值时，干扰变化剧烈，设定 K (t)=K0 与干扰变化率绝对值的线性组合（系数 k1=100），通过提高观测增益加快观测速度，减少观测滞后。
3.3 模型预测控制（MPC）的滚动优化机制
MPC 通过建立预测模型、确定目标函数、求解优化问题生成最优控制量，其滚动优化机制是提升控制响应速度与稳态精度的关键。针对新能源并网场景，本文从预测时域、控制时域及目标函数三个方面优化 MPC 的滚动优化机制。
预测时域决定 MPC 对未来工况的预测范围，控制时域决定 MPC 的控制量调整步数。若预测时域过大，会增加计算复杂度；若预测时域过小，会导致预测精度不足。结合二次系统的采样频率（5kHz）与新能源波动周期（0.1~1s），整定预测时域为 5 个采样周期（对应 1ms），控制时域为 2 个采样周期（控制量每 2 个采样周期调整一次），在保证预测精度的同时，将计算时间控制在 200μs 以内，满足二次系统的实时性要求。
MPC 的目标函数需兼顾谐波抑制效果与控制量平滑性，避免控制量突变导致二次设备震荡。本文设计的目标函数包含两部分：第一部分是对未来 5 个采样周期内谐波电流预测值与参考值（设定为 0）偏差的平方和，通过权重系数（ω1=10）突出谐波抑制的优先级；第二部分是对未来 2 个控制周期内控制量变化量的平方和，通过权重系数（ω2 默认取 1，当控制量变化率超过 5%/ms 时增至 5）实现控制量平滑，避免二次设备因控制量突变出现运行不稳定。
此外，考虑二次设备的物理限制，设定控制量约束范围（-0.5pu 至 0.5pu），避免控制量超出执行机构的额定范围；设定谐波电流约束范围（绝对值≤0.02pu），对应 THD≤2.5%，确保二次系统谐波含量符合国家标准要求。通过上述优化，MPC 可在每个控制周期内快速求解最优控制量，同时适应新能源波动与电网干扰，实现谐波的精准抑制。
结语
新能源并网范围的不断增长使得电气二次系统的谐波问题成为了确保电力系统安全稳定运行的关键挑战。本文提出的改进策略针对新能源并网环境下的谐波管理提出了技术性解决方案。然而，该策略仍存在限制，主要体现在未纳入多能源联合并网（例如光伏、风电与储能结合）的协同控制策略。未来研究可以拓展至探讨多能源源头的谐波抑制协同方法，并整合人工智能技术（例如强化学习）以优化控制参数，增强策略在复杂环境中的适用性和效果。
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