基于PSCAD/EMTDC的數控電容在PWM整流器中的應用仿真研究

隨著用電設備的諧波標準要求越來越嚴格，PWM整流器的應用日益廣泛。在PWM整流器（VSR）的控制中，廣泛采用在同步旋轉坐標系下的直接電流控制方法和雙閉環控制結構，其中電壓外環用于控制整流器的輸出電壓，電流內環實現網側電流的波形和相位控制。
　參考文獻[1]按滿足VSR直流側電壓跟隨性和抗擾性指標分別確定了電容的上限值和下限值。但是，這兩個值通常不能同時滿足，即當滿足直流電壓跟隨性時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的改善途徑。基于PSCAD/EMTDC軟件建立了PWM整流器仿真模型，通過對直流側電容的設計取值進行分析，提出在直流側采用新型器件數控電容在線調整的方法，實現直流側電壓的靈活控制。
1 PWM整流器主電路和雙閉環控制結構
　三相電壓型PWM整流器的拓撲結構如圖1所示。主電路采用IGBT與二極管反并聯的方式，Ls和Rs為電感的等效參數，C為直流濾波電容，RL為直流側負載，uca、ucb、ucc為整流橋三相控制電壓。
　圖1所示的PWM整流器通過坐標變換得在同步旋轉坐標系下PWM整流器的方程為[2]:

式中，usl、isl、ucl(l=d,q)分別為d-q同步旋轉坐標系下的電源電壓、輸入電流和橋中點控制電壓。
　PWM整流器采用由電壓外環和電流內環組成的雙閉環控制結構如圖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，假設所接負載為純電阻，無功功率參考值設為零，為了研究電壓跟隨性指標的變化情況,在某時刻將Udc參考值從Udcref1調整到Udcref2。

3 數控電容仿真實現及直流側電壓改善分析
　在電壓型三相橋式PWM整流器中，直流側電容主要用來緩沖VSR交流側與直流側的無功能量交換，抑制直流側電壓紋波，并且當負載發生變化時，支撐直流側電壓，限定直流電壓的波動。
　一般而言，從滿足電壓環控制的跟隨性指標看，VSR直流側電容應盡量小，以確保VSR直流側電壓的快速跟蹤控制；而從滿足電壓環控制的抗擾性指標分析，VSR直流側電容應盡量大，以限制負載擾動時的直流電壓動態降落[3-4]。新型數字化元器件的出現使得電容的在線調整成為可能。
3.1 數字電容器原理及實現
　以往電容參數在設計過程中,需要根據實際需要,綜合考慮直流電壓跟隨性和抗擾性性能指標。新型數字化元件采用總線接口通過單片機或邏輯電路編程進行數控調節，實現了“把模擬器件放到總線上”的全新設計理念[5]。典型的數字電容器有Maxim公司生產的MAX1474和Intersil公司生產的X90100等,可以在5 ?滋s內快速調整，隨著數控電容新器件工藝的不斷進步, 調整容量和范圍進一步增大。
3.2 直流側電壓指標改善分析
3.2.1 直流側電壓跟隨性分析
　仿真實例取三相電壓型PWM整流器交流輸入線電壓有效值為100 V，直流側負載電阻為50 Ω，主功率開關器件采用IGBT實現。