基于PWM整流器仿真模型對(duì)直流側(cè)電容取值進(jìn)行分析研究

隨著用電設(shè)備的諧波標(biāo)準(zhǔn)要求越來越嚴(yán)格，PWM整流器的應(yīng)用日益廣泛。在PWM整流器（VSR）的控制中，廣泛采用在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直接電流控制方法和雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，其中電壓外環(huán)用于控制整流器的輸出電壓，電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的波形和相位控制。

按滿足VSR直流側(cè)電壓跟隨性和抗擾性指標(biāo)分別確定了電容的上限值和下限值。但是，這兩個(gè)值通常不能同時(shí)滿足，即當(dāng)滿足直流電壓跟隨性時(shí)通常不能滿足直流電壓抗擾性。

本文著重討論了PWM整流器工作在相同模式下直流電壓跟隨性能指標(biāo)的改善途徑?；赑SCAD/EMTDC軟件建立了PWM整流器仿真模型，通過對(duì)直流側(cè)電容的設(shè)計(jì)取值進(jìn)行分析，提出在直流側(cè)采用新型器件數(shù)控電容在線調(diào)整的方法，實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的靈活控制。

1、PWM整流器主電路和雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)

三相電壓型PWM整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。主電路采用IGBT與二極管反并聯(lián)的方式，Ls和Rs為電感的等效參數(shù)，C為直流濾波電容，RL為直流側(cè)負(fù)載，uca、ucb、ucc為整流橋三相控制電壓。

圖1所示的PWM整流器通過坐標(biāo)變換得在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下PWM整流器的方程為：

2、 基于PSCAD的PWM整流器控制器仿真模型

利用Mannitoba HVDC研究中心的PSCAD/EMTDC工具建立PWM整流器雙閉環(huán)控制仿真模型，如圖3所示。采用定直流電壓、定無功功率控制，假設(shè)所接負(fù)載為純電阻，無功功率參考值設(shè)為零，為了研究電壓跟隨性指標(biāo)的變化情況，在某時(shí)刻將Udc參考值從Udcref1調(diào)整到Udcref2。

3、 數(shù)控電容仿真實(shí)現(xiàn)及直流側(cè)電壓改善分析

在電壓型三相橋式PWM整流器中，直流側(cè)電容主要用來緩沖VSR交流側(cè)與直流側(cè)的無功能量交換，抑制直流側(cè)電壓紋波，并且當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，支撐直流側(cè)電壓，限定直流電壓的波動(dòng)。

一般而言，從滿足電壓環(huán)控制的跟隨性指標(biāo)看，VSR直流側(cè)電容應(yīng)盡量小，以確保VSR直流側(cè)電壓的快速跟蹤控制；而從滿足電壓環(huán)控制的抗擾性指標(biāo)分析，VSR直流側(cè)電容應(yīng)盡量大，以限制負(fù)載擾動(dòng)時(shí)的直流電壓動(dòng)態(tài)降落。新型數(shù)字化元器件的出現(xiàn)使得電容的在線調(diào)整成為可能。

3.1 數(shù)字電容器原理及實(shí)現(xiàn)

以往電容參數(shù)在設(shè)計(jì)過程中，需要根據(jù)實(shí)際需要，綜合考慮直流電壓跟隨性和抗擾性性能指標(biāo)。新型數(shù)字化元件采用總線接口通過單片機(jī)或邏輯電路編程進(jìn)行數(shù)控調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了“把模擬器件放到總線上”的全新設(shè)計(jì)理念。典型的數(shù)字電容器有Maxim公司生產(chǎn)的MAX1474和Intersil公司生產(chǎn)的X90100等，可以在5 ？滋s內(nèi)快速調(diào)整，隨著數(shù)控電容新器件工藝的不斷進(jìn)步， 調(diào)整容量和范圍進(jìn)一步增大。

3.2 直流側(cè)電壓指標(biāo)改善分析

3.2.1 直流側(cè)電壓跟隨性分析

仿真實(shí)例取三相電壓型PWM整流器交流輸入線電壓有效值為100 V，直流側(cè)負(fù)載電阻為50 Ω，主功率開關(guān)器件采用IGBT實(shí)現(xiàn)。

2 000 μF、5 000 μF時(shí)的直流側(cè)電壓變化曲線如圖4所示。

基于軟件仿真數(shù)據(jù)驗(yàn)證得出以下結(jié)論：當(dāng)電容取值大于1 100μF時(shí)，滿足紋波小于1%的要求;當(dāng)電容取值小于2 000 μF時(shí)，可以較快地反應(yīng)電壓跟隨性指標(biāo)。因此確定電容取值范圍為1 100～2 000μF。

3.2.2直流側(cè)電壓抗擾性分析

分析直流側(cè)電壓的抗擾性的依據(jù)是PWM整流器的工作模式由最大功率整流變化到最大功率逆變時(shí)引起的直流側(cè)電壓波動(dòng)最嚴(yán)重的情況，此時(shí)輸入輸出功率偏差最大，過渡過程最長(zhǎng)。而PWM整流器經(jīng)常工作在相同的工作模式下，可以根據(jù)直流電壓上的諧波要求來設(shè)計(jì)電容，穩(wěn)態(tài)時(shí)直流輸入電流為直流量，諧波主要來源于一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的開關(guān)諧波，其能量很小，引起的直流電壓波動(dòng)也很小，設(shè)計(jì)電容值遠(yuǎn)小于參考文獻(xiàn)中的電容設(shè)定上限值。因此，在直流側(cè)電壓跟隨性指標(biāo)確定的電容范圍內(nèi)，直流側(cè)電壓的抗擾性變化不大。

綜上分析表明，PWM整流器工作在相同模式時(shí)，電容值的調(diào)整對(duì)于改善直流側(cè)電壓跟隨性能效果明顯，但是對(duì)于改善直流側(cè)電壓抗擾性效果有限。

與改善PWM整流器網(wǎng)側(cè)電流時(shí)的在線調(diào)整數(shù)控電感的方法不同，數(shù)控電容參數(shù)的調(diào)整需要在直流側(cè)電壓參考值發(fā)生變化前完成，并且調(diào)整量分檔盡量小，否則會(huì)出現(xiàn)較大的電壓波動(dòng)。

本文使用PSCAD/EMTDC軟件建立了PWM整流器的仿真模型。基于軟件仿真驗(yàn)證的確定電容取值在較小范圍。提出了利用數(shù)控電容替代傳統(tǒng)的電容器，使得電容在線調(diào)整改善電壓環(huán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的方法。仿真結(jié)果表明，電容的變化對(duì)直流側(cè)電壓跟隨性能改善效果顯著。該方法可根據(jù)不同情況下的控制要求，預(yù)先調(diào)整電容，靈活實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓控制目標(biāo)，在小功率電源變換電路和控制電路中有一定應(yīng)用價(jià)值。

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