并联电压源型APF无差拍控制仿真系统

资 源 简 介

本项目构建了一个基于MATLAB/Simulink的并联型电压源型有源电力滤波器（APF）仿真平台。主要功能是通过无差拍控制算法实现对非线性负载产生谐波电流的高精度实时补偿。系统首先采用基于瞬时无功功率理论的检测方法实时提取负载中的谐波电流分量作为控制参考值。为了解决数字控制系统中的计算延迟和采样滞后问题，系统特别引入了线性预测算法，通过对当前及历史采样点的电流值进行计算，提前预测出下一采样时刻的谐波电流参考指令。控制器的核心逻辑是建立逆变器输出电流与输出电压之间的离散化数学模型，根据预测的参考值直接计算

详 情 说 明

并联型电压源型有源电力滤波器（APF）无差拍控制仿真系统

项目介绍

本仿真系统旨在通过并联型电压源型有源电力滤波器（APF）对工业电网中常见的非线性负载（如三相整流桥）产生的谐波电流进行实时补偿。系统基于MATLAB平台编写，不依赖复杂的Simulink模型库，而是通过离散化数学模型直接在脚本中实现电力电子主电路与控制算法的紧密耦合。其核心在于利用无差拍控制（Deadbeat Control）的高动态特性，结合线性预测算法解决数字化处理造成的计算延迟，从而实现极高的电流跟踪精度，确保电网侧电流接近纯净正弦波，降低总谐波畸变率（THD）。

功能特性

• 瞬时功率提取：基于瞬时无功功率理论（p-q法），通过Clark变换实时计算并分离负载电流中的基波成分与谐波成分。
• 计算延迟补偿：针对离散控制系统的采样与计算滞后，引入一阶线性预测模型，提前推算下一采样周期的电流参考值。
• 高动态电流跟踪：核心控制算法建立在逆变器输出的离散化数学模型之上，在一个采样周期内预测并输出补偿电压，通过预测控制实现无差拍性能。
• 闭环直流控制：内置PI控制器用于调节直流侧电容电压，自动补偿逆变器损耗，维持系统稳态运行。
• 完整性能分析：自动生成补偿前后的时域波形对比及频域分析曲线，量化展示THD优化结果。

使用方法

1. 确保您的计算机上已安装MATLAB（建议2018b及以上版本）。
2. 将仿真脚本保存并在MATLAB中打开。
3. 直接运行脚本。仿真将自动执行预设时长的数值计算。
4. 仿真结束后，系统将弹出可视化图形窗口，并在控制台中输出补偿前后的THD数值。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2018b 或更高版本。
• 依赖项：无需外接工具箱，纯脚本驱动。
• 硬件算力：普通民用PC即可在数秒内完成0.15秒时长的全系统离散仿真。

系统实现细节与算法逻辑

主电路建模

系统通过数值积分模拟电力电子硬件环境。电网被建模为标准的三相平衡正弦电压源。非线性负载采用了三相不控整流桥连接阻感负载的逻辑，通过比较三相电压的大小实时判断二极管导通状态，从而生成典型的六脉波电流波形。APF主电路采用电压源型逆变器（VSI），通过LC滤波器与电网并联。

谐波电流检测逻辑

控制系统首先对采集的负载电流和电压进行Clark变换，将abc坐标系转换至静止alpha-beta坐标系。通过计算瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，并配合一阶低通滤波器（LPF）提取出功率中的直流分量（即基波分量）。该逻辑能够准确地从畸变的负载电流中分离出需要补偿的频率成分。

直流侧电压调节

为了保证逆变器能够正常工作，直流侧电容电压必须高于电网峰值电压。系统设计了一个PI调节器，通过比较实际电压与参考值的偏差，计算出维持电压所需的额外有功功率。该功率作为反馈量叠加到检测环节，确保APF在补偿谐波的同时，能够从电网吸收少量能量来维持自身电压恒定。

线性预测算法

在数字控制系统中，由于采样和计算需要时间，直接使用当前时刻的指令会导致滞后。本系统采用了线性预测算法，通过当前时刻(k)和上一时刻(k-1)的谐波参考指令，线性推算出下一时刻(k+1)的预期指令。这为无差拍控制器提供了前瞻性的目标，有效抵消了系统延时。

无差拍控制核心

这是控制器的最高层逻辑。根据APF输出端的电感离散模型，计算出要使输出电流在下一个采样周期末完美达到预测指令值时，逆变器应产生的平均电压矢量。该算法将电流控制转化为一个代数方程求解过程，计算出的电压输出经过限幅处理后驱动逆变器工作，确保补偿电流能快速、准确地抵消电网中的谐波。

性能评估与可视化

代码末尾集成了频谱分析模块。系统在进入稳态后截取一段采样数据，使用快速傅里叶变换（FFT）分析电网电流的频率成分。通过计算基波以外的所有谐波有效值之和与基波的比值，得出THD百分比，直观反映了APF对电能质量的提升效果。