并联型有源电力滤波器仿真系统

资 源 简 介

本项目基于MATLAB/Simulink开发环境，致力于设计一个用于配电网电能质量治理的高性能并联型有源滤波器仿真平台。该系统的核心功能是实时检测电力系统中的谐波电流及无功功率，并通过逆变器产生等值反向的补偿电流实时注入电网，从而抵消非线性负载产生的畸变。具体实现过程包括：首先通过三相电压电流互感器采集前端信号，利用基于瞬时无功功率理论的p-q运算电路或d-q同步旋转坐标变换算法，对信号进行分解以提取出精准的谐波指令电流；随后，控制系统通过电压外环保持逆变器直流侧电容电压的稳定，通过电流内环结合滞环比较控

详 情 说 明

并联型有源电力滤波器(SAPF)动态仿真与性能分析系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB开发的电力电子仿真平台，专门用于研究和分析并联型有源电力滤波器（Shunt Active Power Filter, SAPF）在配电网中的电能质量治理性能。系统通过数学建模和离散化物理仿真，模拟了从非线性负载谐波产生到APF精准补偿的全过程。该仿真系统能够实时提取三相不控整流负载产生的谐波电流，并通过闭环控制策略生成补偿电流，达到降低系统总谐波畸变率（THD）和优化功率因数的目的，为工业电力系统的谐波治理提供理论依据和仿真支持。

功能特性

• 非线性负载模拟：利用三相不控整流器与RL负载的准稳态近似模型，真实模拟工业现场常见的非线性畸变源。
• 高精度谐波检测：采用基于d-q同步旋转坐标变换的瞬时检测算法，通过数字低通滤波精确分离基波与谐波分量。
• 直流母线电压控制：内置PI调节器实时监控直流侧电容电压，通过动态调整有功功率指令，确保变流器能量平衡与系统稳定性。
• 滞环电流跟踪(Hysteresis Control)：采用高带宽的滞环比较控制策略，使APF输出电流能够快速、准确地追踪谐波指令电流。
• 物理特性仿真：基于离散化欧拉法构建滤波电感和直流电容的动态物理模型，充分考虑电路阻抗与开关损耗。
• 多维度性能评估：自动执行快速傅里叶变换（FFT）分析获取补偿前后的频谱分布，并实时计算THD指标、功率因数（PF）及母线电压响应曲线。

系统逻辑及实现过程

本仿真系统运行在一个高频采样循环中（50kHz），核心逻辑严格遵循以下步骤：

1. 电网与负载环境构建：系统首先生成50Hz标准三相正弦电压。非线性负载模块根据相电压的瞬时极性判断整流桥导通状态，生成具有典型阶梯波特征的畸变负载电流。
2. d-q 坐标变换与指令分析：通过Clark变换将三相电流投影至静止 $alpha-beta$ 坐标系，随后利用Park变换将其旋转至同步旋转 $d-q$ 坐标系。在 $d-q$ 空间内，利用一阶低通滤波系数获取平稳的有功分量（$d$轴）和无功分量（$q$轴），通过从原始值中扣除基波分量，得到需要补偿的谐波指令。
3. 能量损耗补偿：为维持变流器直流侧电容电压恒定，PI控制器根据电压偏差计算出所需的能量补充值，并叠加至 $d$ 轴指令中。
4. 反变换与指令合成：经过反Park变换和反Clark变换，将处理后的指令信号还原为三相时域补偿电流指令。
5. 逆变器开关逻辑：滞环比较器将实际测得的滤波器电流与指令电流进行对比。当偏差超出容差带（Hysteresis Band）时，改变三相全桥逆变器的开关状态，产生极性相反的补偿电压。
6. 状态方程迭代：利用电感的电压电流微分关系（$L cdot di/dt = Delta U$）和电容的充放电平衡方程，逐步计算下一时刻的滤波器电流及直流电压，完成闭环演化。

关键算法说明

• d-q 变换算法：通过实时检测电网电压相位，将随时间变化的三相正弦物理量映射为旋转坐标系下的直流量。这极大简化了滤波器设计，使得通过简单的低通滤波器即可分离出高频谐波。
• 一阶惯性滤波 (Smoothing)：系统中采用了 i_d_smooth 指令，通过调整低通系数 $alpha$ 的值来平衡检测速度与检测精度。
• 滞环电流控制：这是一种非线性PWM策略。其优势在于无需复杂的三角波调制，具有极佳的动态响应速度和鲁棒性，能够适应快速变化的非线性负载特征。
• FFT 性能分析：仿真结束后，系统提取稳定运行阶段的最后一个周期信号，通过对基本波形进行频谱分解，计算出各次谐波能量与基波能量的比值（THD）。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 核心函数支持：MATLAB 基础数学工具箱（用于矩阵运算）、信号处理相关功能（用于执行 fft 频谱分析）。
• 硬件建议：由于采用 20微秒（50kHz）的仿真步长，建议使用具有 8GB RAM 以上的计算平台以确保仿真图形绘制的流畅性。

使用方法

1. 启动 MATLAB 并将工作目录切换至本项目代码所在文件夹。
2. 直接运行主程序。
3. 仿真开始后，系统将自动进行 0.2 秒的动态演化计算。
4. 仿真结束后，系统将弹出六个子图组成的分析窗口：

- 查看A相电流对比图，观察补偿后电网电流是否趋于正弦。 - 查看补偿电流追踪性能图，评估滞环控制器对指令的跟随精度。 - 观察频谱分析柱状图，对比补偿前后的谐波分布及THD百分比数值。 - 检查直流母线电压曲线，确认PI控制器的调节超调量及稳态纹波。 - 阅读命令行输出，获取最终的治理性能定量数据。