基于PSCAD/EMTDC的數(shù)控電容在PWM整流器中的應(yīng)用仿真研究

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。
　參考文獻(xiàn)[1]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]:

式中，usl、isl、ucl(l=d,q)分別為d-q同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電源電壓、輸入電流和橋中點(diǎn)控制電壓。
　PWM整流器采用由電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)組成的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示[2]。

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。
　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)載擾動時(shí)的直流電壓動態(tài)降落[3-4]。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[5]。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)。