基于LCL滤波器的三电平有源电力滤波器仿真系统

资 源 简 介

本系统旨在实现高性能的电力系统谐波补偿功能。系统采用三电平NPC（中点钳位型）逆变器拓扑结构，相比传统的两电平结构，其输出电压台阶更多，能够有效降低开关管的电压应力，并显著减少输出电压的谐波含量。在滤波电路方面，系统集成了LCL滤波器，利用其高频衰减特性，在较小的电感值下即可实现优异的高频谐波抑制效果。项目的核心功能包括：首先利用基于瞬时无功功率理论（ip-iq法）的谐波检测模块，从畸变的负载电流中实时提取出需要补偿的谐波分量；其次，电流跟踪控制环节在离散域下运行，采用PI控制或重复控制策略，确保APF输

详 情 说 明

项目介绍：基于LCL滤波器的三电平有源电力滤波器（APF）仿真设计系统

本系统是一个基于MATLAB开发的高性能电力系统谐波补偿仿真平台。系统模拟了工业配电网中常见的非线性负载环境，通过三电平NPC（中点钳位型）逆变器结合LCL型滤波器，实现对电网电流的高精度实时治理。相较于传统的两电平结构，本系统采用的三电平拓扑能够显著降低开关管的电压应力，生成电平数更多的输出电压波形；而LCL滤波器则利用其特有的高频衰减特性，在较小电感体积下有效地过滤开关噪声。

功能特性

1. 高精度的三电平NPC拓扑模拟：系统能够生成三个电平阶梯的输出电压，减小输出电压的谐波偏置。
2. 完善的LCL滤波环节：包含逆变器侧电感、电网侧电感、滤波电容以及用于抑制谐振的阻尼电阻建模。
3. 动态谐波检测算法：采用经典的ip-iq瞬时无功功率理论，实时从负载电流中分离基波与谐波成分。
4. 双闭环控制策略：集成直流侧电压外环控制器稳定母线电压，以及电流内环跟踪器确保补偿电流的采样精度。
5. 离散化PD-PWM调制：采用同相层叠（Phase-Disposed）脉宽调制技术，精准驱动三电平功率回路。
6. 自动性能评估：系统自动计算补偿前后的总谐波畸变率（THD），并提供时域波形与频域频谱的直观对比。

系统逻辑说明

本系统的核心逻辑在离散仿真循环中运行，主要包含以下步骤：

1. 参数与变量初始化：设定电网频率（50Hz）、开关频率（20kHz）以及仿真步长（1微秒）。定义LCL滤波器和双直流电容的物理参数。
2. 非线性负载模拟：通过三相全桥整流电路配合RL负载，产生含有大量5次、7次等特征谐波的畸变电流波形。
3. 参考电流生成（谐波检测）：

- 使用Clarke变换和Park变换将三相负载电流投影到旋转坐标系（dq轴）。 - 采用基于权重迭代的低通滤波算法提取dq轴的直流分量（代表基波）。 - 将总电流减去基波得到谐波参考值，并叠加直流电压平衡控制器的输出，形成最终的指令补偿电流。

1. 直流电压控制：监控两个串联直流电容的电压和，通过PI控制器调节有功功率回馈，使总母线电压维持在800V参考值。
2. 电流跟踪控制：实时采样APF输出电流，与参考谐波电流进行对比。误差信号通过PI控制器处理，生成归一化的控制电压指令。
3. PD-SPWM调制机制：

- 设计两个同相分布的三角载波（分别处于0至1和-1至0区间）。 - 将调制信号与双载波比较，产生三电平（+Vdc, 0, -Vdc）的开关动作指令。

1. 物理系统更新：

- 采用数值积分法（一阶欧拉法）求解LCL滤波器的状态方程，更新逆变器侧电流、电网侧电流以及电容电压。 - 模拟直流侧电容的中点电压动态，根据开关状态计算电容电压的充放电平衡。

1. 延迟启动补偿：系统设置为在0.04秒后正式开启APF补偿功能，以便直观对比补偿前后的电能质量差异。

关键算法与实现细节分析

1. ip-iq 谐波提取算法：

代码通过坐标变换将交流电流转为旋转坐标系下的分量。系统利用 static 变量模拟了数字低通滤波器（LPF），其系数设定为0.99，能够平滑地提取电流中的基波有功和无功成分，从而实现对不规则谐波的精准剥离。

1. LCL 滤波器状态方程建模：

系统并未简单使用传递函数，而是基于基尔霍夫定律建立了微分方程组。考虑了阻尼电阻 Rd 对系统稳定性的影响，通过计算节点电压平衡（Vinv, Ucf, Us）来解算三相电流的变化率（di/dt），确保了仿真在处理高频开关信号时的数值稳定性。

1. 三电平逻辑判别：

在调制环节，代码通过对控制信号的正负极性判断，分别与上限三角波和下限三角波进行逻辑比较。这种实现方式准确模拟了NPC逆变器中点钳位二极管的工作特性，确保输出电压在正母线、中点和负母线之间平滑切换。

1. 性能评价指标（THD）：

系统内置了快速傅里叶变换（FFT）分析器。通过对补偿稳态后的电流信号进行采样，计算基波分量与各阶谐波分量有效值的比例，从而量化得出总谐波畸变率，直接反映治理效果。

使用方法

1. 环境配置：确保已安装 MATLAB 基础环境。
2. 运行仿真：直接运行主脚本，仿真将自动开始。
3. 观察结果：

- 观察第一个图表中的电流波形，分析负载电流（红色）经过 APF 处理后变成接近正弦波的电源电流（蓝色）的过程。 - 查看命令窗口输出的 THD 改善百分比。 - 检查直流侧电压平衡曲线，确保两个电容电压在动态补偿过程中没有发生严重的偏差或发散。 - 通过频谱图观察 5Hz 到 1000Hz 范围内各阶谐波幅值的衰减情况。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本（主要用于绘图及 FFT 分析函数）。
2. 硬件环境：建议 8GB 及以上内存，以支持高采样频率下的大规模矩阵计算。
3. 依赖工具：仅需 MATLAB 核心库，不需要额外的 Simulink 模块。