基于双环控制的有源功率因素校正APFC仿真系统

资 源 简 介

本项目通过MATLAB/Simulink环境构建了一个完整的有源功率因素校正（APFC）电路模型。该模型旨在解决非线性负载导致的电网侧电流畸变及功率因素低下问题。系统核心采用了Boost升压电路架构，核心控制方案为经典的电压外环加电流内环的双闭环控制策略。电压外环负责监控直流侧输出电压，通过与设定参考值的对比并经过PI控制器运算，输出电流内环所需的幅值参考信号；电流内环则通过采样电感电流，利用乘法器引入输入电压的实时波形作为参考，确保输入电流能够紧密追踪输入电压的相位和波形。通过这种双环协作方式，系统能够

详 情 说 明

基于双环控制的有源功率因数校正（APFC）仿真系统

1. 项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的有源功率因数校正（APFC）仿真系统。系统采用单相Boost升压变换器拓扑结构，通过数字仿真的方式实现了典型的电压外环、电流内环双闭环控制策略。该系统的设计核心在于解决整流电路带来的非线性负载问题，通过动态调整开关管的占空比，强制输入电流追踪输入电压的波形与相位。该仿真系统能够精确模拟电感电流升降、输出电压波动以及瞬态响应过程，是电力电子领域研究高功率因数电源流控算法的重要参考模型。

2. 功能特性

• 双闭环控制架构：实现了电压外环（控制输出直流电压稳定）与电流内环（控制电感电流追踪波形）的串级控制。
• 高精度数值仿真：采用1微秒（1us）的极小仿真步长，配合一阶欧拉数值求解法，能够细腻地刻画开关频率在100kHz下的电路动态特性。
• 乘法器环节建模：通过将输出电压PI控制器的结果与输入整流电压波形相乘，生成与电压同相位的正弦基准电流。
• 全面的性能评价指标：系统内置了自动化的后处理算法，能够在线计算并在控制台输出功率因数（PF）和电流总谐波失真（THD）。
• 动态波形可视化：仿真结束后自动生成三轴示波图，直观展示输入侧电压电流相位关系、直流侧电压平稳度以及电感电流的追踪效果。

3. 使用方法

• 运行环境：安装有MATLAB（建议R2018b及以上版本）的计算机，无需额外的Simulink工具箱，代码纯粹基于矩阵运算实现。
• 启动步骤：在MATLAB编辑器中打开主程序脚本，直接点击“运行”按钮或在命令行窗口输入名为main的函数名称。
• 结果获取：运行完成后，程序将自动弹出仿真结果曲线图，并在MATLAB命令行窗口打印包含稳态电压、有效值电流、PF值及THD值的性能报告。

4. 系统要求

• 软件需求：标准版MATLAB。
• 硬件建议：主频2.0GHz以上CPU，4GB以上内存（仿真涉及20万个时间步长的循环计算，耗时通常在数秒内）。

5. 核心实现逻辑说明

系统的仿真过程分为以下四个关键环节，逻辑严格遵循电力电子控制理论：

• 参数初始化阶段：

系统设定了100kHz的开关频率（fs）和220V/50Hz的交流输入。定义了Boost主电路关键元件参数，包括2mH电感、1000uF滤波电容及80欧姆负载，并将目标输出电压设定为400V。

• 控制环路计算：

每一仿真步长内，系统首先进行电压外环计算。通过计算400V参考值与当前输出电压的偏差，经过比例积分（PI）调节器输出电流幅值信号。 随后执行电流内环计算。将电压环输出的幅值与整流后的电压采样波形相乘，得到实时的电流参考指令。电流PI调节器根据指令电流与实际电感电流的差值产生控制信号。

• 占空比生成与限制：

基于Boost变换器的平均建模理论，系统将电流控制信号转化为PWM占空比。代码中实施了占空比防饱和逻辑，将其严格限制在0到0.95之间，以符合硬件驱动的实际物理限制。

• 电路模型求解：

程序采用状态空间平均法建立Boost电路的微分方程。根据占空比（d）的导通与截止状态比例，计算电感电流变化率（diL/dt）和输出电压变化率（dvdc_dt）。利用一阶欧拉法更新系统状态变量，从而模拟电感充放电和电容储能过程。

6. 关键算法与算法细节分析

• PI调节器实现：程序手动实现了离散化的PI控制算法，通过误差累加模拟积分环节（v_int和i_int），并分别针对低速电压环和高速电流环设置了不同的增益参数（电压环Kp=0.2，电流环Kp=0.05），确保了系统既能稳定跟踪输出电压，又能快速响应电流波动。
• 乘法器波形同步：算法通过提取输入电压的绝对值并归一化，作为电流环的基准模板。这种方法确保了即使在输入电压幅值波动时，电流参考信号仍能保持完美的半波正弦形状。
• 功率因数与THD解析：

算法截取仿真末尾的两个完整工频周期作为稳态分析对象。 PF计算通过计算输入电压与电流的有功功率与视在功率的比值实现。 THD计算采用了快速傅里叶变换（FFT）。通过对输入电流波形进行频谱分析，提取50Hz基波分量及各次谐波能量，利用谐波总能量平方和与基波能量的比值计算得出失真度，这一过程完整模拟了电能质量测试仪的工作原理。

• 二极管整流逻辑仿真：程序在更新输入电流记录时，通过符号函数（sign）将始终为正的电感电流还原为与输入交流电压方向一致的交流电流，从而完美复现交流侧的电能特征。