APF复合控制策略：PI与重复控制在谐波抑制中的应用

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、整流设备等）会产生大量谐波污染，导致电网电压畸变、设备过热甚至保护误动作。传统无源滤波器存在阻抗匹配困难、易谐振等固有缺陷，而有源电力滤波器（APF）凭借动态响应快、滤波精度高的特点，成为解决谐波问题的首选方案。

本项目针对APF的核心控制难题，提出了一种结合比例积分（PI）与重复控制的复合控制策略。PI控制器负责快速跟踪基波电流，而重复控制器则专门针对周期性谐波进行精准抑制。这种组合充分发挥了两者的优势：PI的动态响应能力+重复控制的稳态精度，特别适用于电弧炉、轧钢机等产生固定频谱谐波的工业场景。

2. 系统架构设计解析

2.1 整体控制框图

系统采用典型的并联型APF拓扑，主要包含：

• 谐波检测模块：基于瞬时无功功率理论的ip-iq法，通过锁相环(PLL)提取基波正序分量
• 直流侧电压控制：PI调节器维持电容电压稳定（通常设定为800V±5%）
• 复合控制器：PI+重复控制的并联结构，输出PWM调制信号驱动IGBT

关键设计选择：重复控制器的周期设为电网基波周期（20ms/50Hz），内存深度取6-8个周期可兼顾稳态精度与动态响应

2.2 重复控制器的实现细节

重复控制的核心是内模原理，其传递函数为：

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

其中：

• N = 采样频率/基波频率（如10kHz采样时N=200）
• Q(z)为补偿器，通常取0.95z^2提升相位裕度

实际实现时需注意：

1. 内存缓冲区采用环形队列结构，避免频繁内存分配
2. 添加相位超前补偿（2-3个采样点）抵消控制延迟
3. 输出限幅防止积分饱和

3. Simulink建模关键步骤

3.1 主电路参数计算

以100kVA APF为例：

matlab复制% 直流侧电容计算（允许10%纹波）
C_dc = (3*P*t)/(V_dc^2*ΔV) = (3*100e3*0.01)/(800^2*0.1) ≈ 4700μF

% 交流侧电感设计（开关频率10kHz）
L_ac = V_dc/(4*ΔI*f_sw) = 800/(4*20%*100*10^3) ≈ 1mH