PI+重复控制策略在电力谐波治理中的仿真与应用

1. 项目背景与核心价值

在工业电力系统中，非线性负载（如变频器、整流器等）的广泛应用导致电网谐波污染日益严重。传统无源滤波器存在体积大、调谐困难、易与电网阻抗发生谐振等问题。我们团队开发的这套"PI+重复控制"复合控制策略，通过Simulink仿真验证，在100kVA实验平台上实现了THD（总谐波失真）从12.6%降至3.2%的显著效果。

这种控制方案的核心创新在于：将PI控制的快速动态响应特性与重复控制对周期性信号的无静差跟踪能力相结合。实际测试表明，对于6脉波整流器产生的5次、7次特征谐波，补偿效果达到91.4%，且系统在负载突变时的恢复时间缩短至1.5个工频周期。

2. 控制系统架构解析

2.1 整体控制框图设计

系统采用双闭环结构：

• 外环为直流侧电压控制（PI调节器）
• 内环为电流跟踪控制（PI+重复控制复合）

关键信号流向：

1. 通过p-q检测法提取谐波电流
2. 重复控制器生成补偿信号
3. PI控制器处理动态误差
4. 空间矢量PWM生成驱动信号

注意：在Simulink建模时，需要特别注意各模块的采样时间同步问题。我们建议将电流环控制在50μs步长，电压环采用100μs步长，重复控制器的延时环节需严格对齐工频周期（20ms/50Hz）

2.2 重复控制器实现细节

重复控制器的z域表达式为：

code复制G_rc(z) = (k_r·z^(-N))/(1 - Q(z)·z^(-N))

其中：

• N = fs/f0 = 1000（采样频率10kHz时）
• Q(z)取0.95的二阶低通滤波器
• k_r通过稳定性分析确定为0.35

在Simulink中实现时，需要特别注意：

1. 延时环节采用"Unit Delay"模块堆叠实现
2. 补偿器S(z)采用二阶超前校正：

   matlab复制num_s = [0.12 -0.23 0.11];
   den_s = [1 -1.78 0.81];
   

3. 关键参数整定方法

3.1 PI控制器参数计算

电流环PI参数采用典型II型系统设计：

code复制K_p = L·ω_c / (1.5·K_pwm)
K_i = R / (1.5·K_pwm)

其中：

• L=2mH（滤波器电感）
• R=0