单相全桥逆变器预测电流控制仿真项目

资 源 简 介

该项目是一个基于MATLAB/Simulink建模环境的电力电子仿真系统，专门用于实现和验证全桥（两桥臂）逆变器的预测电流控制（Predictive Current Control, PCC）调制技术。系统的核心功能是建立单相全桥逆变器的离散数学模型，结合负载端的电阻-电感（R-L）特性，在每个采样周期内对所有可能的开关状态（电压矢量）进行超前预测。 具体实现方法上，算法根据当前时刻检测到的电流和电压值，通过离散化方程计算下一时刻负载电流的预估值。随后，系统利用代价函数（Cost Function）对预测

详 情 说 明

单相全桥逆变器预测电流控制(PCC)仿真项目说明文档

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的电力电子仿真系统，旨在研究与验证单相全桥逆变器在有限控制集模型预测控制（FCS-MPC）算法下的运行性能。该系统摒弃了传统的脉宽调制（PWM）环节，通过离散数学模型直接生成驱动信号，实现了对负载电流的高精度实时跟踪。通过该仿真，用户可以深入观测在不同采样频率、负载参数条件下，预测控制策略对于非线性负载电流的控制效果和动态响应特性。

功能特性

1. 模型预测控制（MPC）算法：实现了无调节器的直接电流控制，通过最小化代价函数选择最优开关状态。
2. 有限控制集寻优：针对全桥逆变器的物理特性，定义了由直流电压组成的离散电压状态集。
3. 离散化数学建模：采用一阶欧拉离散化方法对电阻-电感（R-L）负载进行状态预测。
4. 全过程闭环仿真：包含参考信号生成、状态采样、预测评估、最优控制输出以及负载模型更新的完整环节。
5. 综合性能分析：内置快速傅里叶变换（FFT）分析功能，可自动计算输出电流的总谐波失真（THD）并生成频谱图。
6. 多维度结果可视化：实时呈现电流跟踪对比、逆变器三电平输出电压、跟踪误差波动以及电流频谱分布。

实现逻辑与算法细节

#### 1. 系统参数初始化 程序首先定义了逆变器的核心硬件参数，包括直流母线电压（200V）、负载电阻（2.5Ω）以及负载电感（10mH）。仿真环境设置为20kHz的高采样频率（Ts = 50μs），确保了控制算法的离线预测精度与实时性。

#### 2. 参考指令生成 系统生成50Hz的正弦参考电流。为了实现准确的预测控制，算法不仅计算当前时刻的指令值，还提前计算出下一时刻（k+1）的参考电流目标值，作为代价函数比对的基准，补偿了系统的一个控制周期延迟。

#### 3. 有限控制集定义 单相全桥逆变器通过桥臂开关组合，在负载端可产生三种有效的电压电平：+Vdc、0V 和 -Vdc。程序将这三种状态作为有限控制集，在每个采样周期对这三种可能性进行遍历计算。

#### 4. 预测与评估循环 在仿真的每一个步长内，程序执行以下核心逻辑：

• 采样：获取当前时刻的电感电流实际值。
• 预测：利用负载的离散状态方程，基于当前电流值分别预测在应用三种候选电压矢量后，下一时刻可能达到的电流预估值。
• 代价函数计算：计算每个预估电流值与k+1时刻参考值之间的平方误差。
• 寻优选择：从三种候选状态中自动锁定使平方误差最小的电压矢量，并将其确定为本周期的最优控制输出。

#### 5. 负载模型更新（物理模拟） 程序通过数学变换模拟真实的物理负载响应。将选中的最优电压矢量代入差分方程，更新当前的电感电流状态，从而模拟实际硬件在接获指令后的电流演化过程。

#### 6. 后处理与频域分析 仿真结束后，程序对全时段电流数据进行FFT分析。通过提取基波分量与各次谐波能量，计算出系统的总谐波失真（THD），直观反映预测控制下的电能质量。

关键函数与数据处理

• 离散模型：i(k+1) = i(k) + (Ts/L) * (V(k) - R * i(k))，这是整个控制器的灵魂，决定了预测的准确性。
• FFT变换：利用内置频率分析工具，计算从DC到高频段的成分分布，自动定位50Hz基波位置。
• 图形可视化：

- 时域图展示了i_ref与i_meas的重合度，体现系统的跟踪带宽。 - 电压波形图中清晰展示了逆变器在+200V, 0V, -200V之间的阶跃切换。 - 误差曲线图量化了稳态过程中的纹波大小。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016a 或更高版本（需具备基础数学运算与绘图功能）。
• 硬件要求：普通PC即可运行，由于采用了向量化运算与高效的仿真循环，整体运行时间通常在1秒以内。
• 知识背景：建议具备电力电子技术（逆变电路）与自动控制理论（离散控制系统）的基础知识。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将仿真脚本文件加载至当前工作路径。
3. 运行该主程序。
4. 程序将自动弹出两个波形窗口：一个用于展示动态跟踪过程（缩放至周期细节），另一个用于展示全过程响应。
5. 在MATLAB命令行窗口查看输出的系统参数总结、平均误差及THD数值结果。