电力系统有源电力滤波器APF建模与仿真系统

资 源 简 介

本项目旨在通过MATLAB/Simulink平台实现并联型有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）的建模与动态仿真。系统针对电力系统中由变流器、电弧炉等非线性负载产生的谐波污染进行抑制，同时兼顾动态无功功率补偿。核心功能包括利用瞬时无功功率理论（p-q法或ip-iq法）对负载电流进行实时检测与分解，精准提取出其中的谐波成分与基波无功成分作为指令电流信号。通过滞环比较控制或空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术，驱动三相逆变器产生与指定支路谐波电流相位相反、幅值相等的补偿电流。该系统能

详 情 说 明

基于MATLAB的电力系统有源滤波器（APF）设计与仿真系统

项目介绍

本项目是一个基于MATLAB环境开发的电力系统有源电力滤波器（Active Power Filter, APF）动态仿真平台。通过建立三相交流电网、非线性负载以及并联型APF的数学模型，系统实现了对电力系统谐波的实时检测与动态补偿。该系统采用瞬时无功功率理论进行谐波提取，并结合滞环电流控制技术驱动三相逆变器，旨在消除负载产生的谐波电流，维持直流侧电压稳定，并将电网侧电流的总谐波畸变率（THD）降至5%以下，从而优化电能质量。

功能特性

1. 非线性负载模拟：内置高阶谐波负载模型，模拟三相全桥整流电路产生的5次、7次、11次、13次等典型特征谐波。
2. 瞬时无功理论检测：基于ip-iq法实现电流指令检测，能够精准分离基波分量与谐波/无功分量。
3. 双闭环控制架构：包含直流侧电压外环PI控制（维持电容电压稳定）与交流侧电流内环滞环控制（实现快速电流跟踪）。
4. 动态实时仿真：采用一阶欧拉法求解电路微分方程，模拟APF电感滤波与直流电容能量交换的物理过程。
5. 综合性能评价：自动计算仿真前后的电流THD指标，提供频域分析波形及三相平衡性评估图表。

系统要求

• 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
• 核心工具箱：无需特殊工具箱，基于基础MATLAB矩阵运算与绘图功能实现。

实现逻辑与算法细节

#### 1. 系统参数初始化 系统预设采样频率为20kHz，基波频率为50Hz。电网侧采用220V标准相电压。APF硬件参数包括2mH滤波电感及其内阻，以及2200μF的直流侧支撑电容。直流侧电压目标值设为700V。

#### 2. 非线性负载电流构建 系统通过数学叠加方式模拟非线性电流。在每一个仿真采样点，通过计算基波及各次高次谐波（5、7、11、13次）的瞬时值，合成具有典型畸变特征的负载电流波形。

#### 3. 谐波与无功分量提取（ip-iq法）

• 坐标变换：首先通过Clark变换将负载电流从abc三相静止坐标系转换至alpha-beta两相静止坐标系。
• 相位同步：利用电网电压的alpha-beta分量求取旋转变换所需的正余弦信号，代替传统锁相环（PLL）功能。
• 旋转变换：通过Park变换将电流投射到随基波频率旋转的dq坐标系下，此时基波分量表现为直流分量，谐波分量表现为交流分量。
• 指令提取：利用一阶低通率波器获取dq轴的直流项，随后用原始信号减去直流项得到谐波指令，确保补偿信号的实时性。

#### 4. 直流侧电压外环控制 为了补偿逆变器自身的损耗并维持直流侧电压稳定，系统设计了PI控制器。控制器根据预设的700V指令值与实际电压的差值进行积分与比例运算，计算出维持电压平衡所需的活跃电流增量，并将其叠加至d轴电流指令中。

#### 5. 电流跟踪与逆变驱动

• 逆变换：将处理后的dq轴指令电流经过反Park变换及反Clark变换，还原为三相abc坐标系下的补偿指令电流。
• 滞环控制：采用滞环比较控制。当指令电流与实际补偿电流的差值超过预先设定的滞环带宽（0.5A）时，逆变器立即切换输出电平（正/负二分之直流电压），通过高频开关动作强制引导补偿电流跟踪指令电流。

#### 6. 电路物理模型求解 系统通过离散化微分方程模拟电力电子元件的状态变化：

• 电流状态更新：根据逆变器输出电压、电网电动势及电感参数，计算补偿电流在一阶欧拉步长内的增量。
• 电容电压更新：基于交流侧与直流侧的瞬时功率平衡，动态计算直流支撑电容的电压起伏。

使用方法

1. 启动MATLAB软件，将工作目录切换至本项目文件所在文件夹。
2. 在命令行窗口直接运行主程序脚本。
3. 程序将自动进行0.2秒的动态仿真周期运算。
4. 仿真结束后，系统会自动弹出包含六个子图的分析界面，完整展示补偿前后的电流对比、指令跟踪精度、电压响应、频谱分布及三相平衡性。
5. 查看命令行输出的仿真分析报告，获取THD计算结果及性能达标情况。

关键数据分析说明

• 指令跟踪子图：用于观察APF对高频谐波指令的捕获能力，理想情况下实际电流应紧密围绕指令电流波动。
• 频谱分析图：对比补偿前后基波频率以外的谐波幅值，直观体现滤波器对特定频段谐波的消除效果。
• 电压响应曲线：展示系统启动阶段直流电压的上升过程及稳态时的纹波表现，作为评估控制参数优劣的核心指标。