基于LCL滤波器的并网逆变器恒功率控制仿真系统

资 源 简 介

该项目利用MATLAB/Simulink软件构建了一套完整的三相并网逆变器控制系统模型，专注于实现逆变器输出电流的正弦化及其与电网电压的高度同步。系统首先通过高精度的锁相环（PLL）技术实时监测并锁定电网电压的频率与相位，确保并网电流在相位上与电网电压严格对齐，实现同频同相。在核心控制层面，采用了恒功率控制（PQ控制）策略，通过dq旋转坐标变换将三相交流量转为直流量进行控制，实现了有功功率和无功功率的独立调节与精确输出，保证了发电系统的稳定性。针对逆变器脉宽调制产生的高频谐波问题，系统集成了LCL型滤波器

详 情 说 明

基于LCL滤波器的三相并网逆变器恒功率控制仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的高精度三相并网逆变器仿真系统。系统核心采用LCL型滤波器替代传统的L型滤波器，旨在通过更小的电感体积实现更高效率的高频谐波抑制。控制架构基于恒功率（PQ）控制策略，能够独立调节逆变器输出的有功功率和无功功率，使其在复杂的电网环境下保持高度的动态响应性能与稳定性。该系统能够准确模拟从控制指令生成到电力电子开关动作，再到无源滤波器滤波的全过程，是研究新能源并网技术、功率控制算法及LCL滤波器特性的理想平台。

功能特性

1. 恒功率（PQ）解耦控制：实现在dq旋转坐标系下的电流闭环控制，支持有功和无功的独立精确跟踪。
2. 高精度电网同步：内置基于PI调节的软件锁相环（PLL），能够实时提取电网电压相位与频率，确保电流指令与电网电压同频同相。
3. LCL滤波器建模：完整模拟了包含逆变器侧电感、电容、电网侧电感及阻尼电阻的物理模型，有效展示了对开关频率谐波的抑制效果。
4. 正弦脉宽调制（SPWM）：通过硬件级的载波比较模拟逻辑，将电压控制指令转化为逆变桥的开关信号。
5. 综合性能分析：系统集成了自动故障分析功能，包括并网电流THD（总谐波失真）估算、瞬时功率动态监测以及电压电流相位对齐检测。

实现逻辑与算法详细说明

系统通过一个高效的仿真循环运行，其内部逻辑严格遵循实际工业控制器的处理流程：

一、 信号采集与坐标变换 系统首先模拟采集三相电网电压瞬时值。随后利用Clarke变换将静止abc坐标系下的变量转换为alpha-beta静止坐标系，再通过Park变换结合锁相环得到的相位信息，将其进一步转化为dq旋转直流量。这种变换简化了控制补偿器的设计，将交流跟踪问题转化为直流稳态调节问题。

二、 锁相环同步逻辑 锁相环通过将q轴电压分量强行锁定为零来实现相位对齐。内部集成PI控制器对频率偏差进行积分运算，最终输出实时相位角 theta。该角度直接用于后续的所有坐标变换，保证了系统与电网的强同步性。

三、 电流环与功率控制 系统根据设定的有功功率（Pref）与无功功率（Qref）计算出d轴和q轴的电流给定值。

1. 有功电流 id_ref 对应功率需求。
2. 无功电流 iq_ref 根据无功需求设定（如功率因数为1时设为0）。

控制器采用PI调节器处理电流偏差。为了消除LCL滤波器电感在旋转坐标系下的耦合效应，控制算法中加入了基于 ωL 的交叉解耦项以及电网电压前馈补偿，确保了系统的动态响应速度。

四、 物理工厂仿真（Plant Simulation） 本系统并未直接调用现成的库模块，而是通过状态空间方程描述LCL滤波器的动态特性。利用欧拉法（Euler Method）在每一个微小的仿真步长中迭代求解三个状态变量：逆变器电流、电容电压、并网电流。这种底层数学描述方式能够更真实地反映电感饱和、阻尼损耗以及谐波流向。

五、 调制与输出 控制算法输出的电压指令经由逆Park变换回到静止坐标系，并与一个频率为10kHz的三角载波进行实时比较。根据比较结果生成高低电平，模拟逆变器桥臂的功率器件开关动作。

关键函数与算法分析

1. 坐标变换：实现了标准的三相静止与两相旋转坐标系之间的相互转换（Clarke/Park/inv-Park），确保控制参数在直流量下进行处理。
2. PI 控制算法：在PLL和电流环中均采用了比例积分控制方式，通过合理的增益设计兼顾稳定性与跟踪精度。
3. 阻尼设计：物理模型中包含 Rd 阻尼电阻逻辑，用于抑制LCL滤波器特有的谐振峰，防止系统振荡。
4. FFT 频谱分析逻辑：在仿真结束后，系统自动对逆变器输出电压和并网电流进行快速傅里叶变换，提取谐波分布情况并计算估算THD值。

使用方法

1. 运行主仿真程序启动系统。
2. 程序将自动初始化参数，包括电感电容值、PI增益、给定功率等。
3. 仿真运行完成后，系统会自动弹出可视化窗口。
4. 在可视化界面中：

- 左上角：观察并网电流的三相正弦波形。 - 右上角：验证 A 相电压与电流的相位一致性。 - 中左位置：评估有功/无功功率对给定值的跟踪精度。 - 中右与左下：分析逆变器输出的载波频率特征及并网后的电流THD指标。 - 右下角：查看dq轴直流分量的平稳性。

系统要求

• 软件版本：MATLAB R2016b 或更高版本。
• 硬件要求：由于采用底层数解法进行高频开关仿真，建议至少拥有 8GB 内存以保证绘图与计算流畅。
• 无需额外安装 Simulink 模块箱，该项目完全基于代码驱动实现。