基于PSCAD/EMTDC的数控电容在PWM整流器中的应用仿真研究

随着用电设备的谐波标准要求越来越严格，PWM整流器的应用日益广泛。在PWM整流器（VSR）的控制中，广泛采用在同步旋转坐标系下的直接电流控制方法和双闭环控制结构，其中电压外环用于控制整流器的输出电压，电流内环实现网侧电流的波形和相位控制。
　参考文献[1]按满足VSR直流侧电压跟随性和抗扰性指标分别确定了电容的上限值和下限值。但是，这两个值通常不能同时满足，即当满足直流电压跟随性时通常不能满足直流电压抗扰性。
　本文着重讨论了PWM整流器工作在相同模式下直流电压跟随性能指标的改善途径。基于PSCAD/EMTDC软件建立了PWM整流器仿真模型，通过对直流侧电容的设计取值进行分析，提出在直流侧采用新型器件数控电容在线调整的方法，实现直流侧电压的灵活控制。
1 PWM整流器主电路和双闭环控制结构
　三相电压型PWM整流器的拓扑结构如图1所示。主电路采用IGBT与二极管反并联的方式，Ls和Rs为电感的等效参数，C为直流滤波电容，RL为直流侧负载，uca、ucb、ucc为整流桥三相控制电压。
　图1所示的PWM整流器通过坐标变换得在同步旋转坐标系下PWM整流器的方程为[2]:

式中，usl、isl、ucl(l=d,q)分别为d-q同步旋转坐标系下的电源电压、输入电流和桥中点控制电压。
　PWM整流器采用由电压外环和电流内环组成的双闭环控制结构如图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整流器双闭环控制仿真模型,如图3所示。采用定直流电压、定无功功率控制，假设所接负载为纯电阻，无功功率参考值设为零，为了研究电压跟随性指标的变化情况,在某时刻将Udc参考值从Udcref1调整到Udcref2。

3 数控电容仿真实现及直流侧电压改善分析
　在电压型三相桥式PWM整流器中，直流侧电容主要用来缓冲VSR交流侧与直流侧的无功能量交换，抑制直流侧电压纹波，并且当负载发生变化时，支撑直流侧电压，限定直流电压的波动。
　一般而言，从满足电压环控制的跟随性指标看，VSR直流侧电容应尽量小，以确保VSR直流侧电压的快速跟踪控制；而从满足电压环控制的抗扰性指标分析，VSR直流侧电容应尽量大，以限制负载扰动时的直流电压动态降落[3-4]。新型数字化元器件的出现使得电容的在线调整成为可能。
3.1 数字电容器原理及实现
　以往电容参数在设计过程中,需要根据实际需要,综合考虑直流电压跟随性和抗扰性性能指标。新型数字化元件采用总线接口通过单片机或逻辑电路编程进行数控调节，实现了“把模拟器件放到总线上”的全新设计理念[5]。典型的数字电容器有Maxim公司生产的MAX1474和Intersil公司生产的X90100等,可以在5 ?滋s内快速调整，随着数控电容新器件工艺的不断进步, 调整容量和范围进一步增大。
3.2 直流侧电压指标改善分析
3.2.1 直流侧电压跟随性分析
　仿真实例取三相电压型PWM整流器交流输入线电压有效值为100 V，直流侧负载电阻为50 Ω，主功率开关器件采用IGBT实现。

2 000 μF、5 000 μF时的直流侧电压变化曲线如图4所示。

基于软件仿真数据验证[6]得出以下结论：当电容取值大于1 100μF时，满足纹波小于1%的要求;当电容取值小于2 000 μF时，可以较快地反应电压跟随性指标。因此确定电容取值范围为1 100～2 000μF。
3.2.2直流侧电压抗扰性分析
参考文献[1]分析直流侧电压的抗扰性的依据是PWM整流器的工作模式由最大功率整流变化到最大功率逆变时引起的直流侧电压波动最严重的情况，此时输入输出功率偏差最大，过渡过程最长。而PWM整流器经常工作在相同的工作模式下，可以根据直流电压上的谐波要求来设计电容，稳态时直流输入电流为直流量，谐波主要来源于一个开关周期内的开关谐波，其能量很小，引起的直流电压波动也很小，设计电容值远小于参考文献[1]中的电容设定上限值。因此，在直流侧电压跟随性指标确定的电容范围内，直流侧电压的抗扰性变化不大。
综上分析表明，PWM整流器工作在相同模式时，电容值的调整对于改善直流侧电压跟随性能效果明显，但是对于改善直流侧电压抗扰性效果有限。
　与改善PWM整流器网侧电流时的在线调整数控电感的方法不同[7]，数控电容参数的调整需要在直流侧电压参考值发生变化前完成，并且调整量分档尽量小，否则会出现较大的电压波动。
本文使用PSCAD/EMTDC软件建立了PWM整流器的仿真模型。基于软件仿真验证的确定电容取值在较小范围。提出了利用数控电容替代传统的电容器，使得电容在线调整改善电压环的动态响应的方法。仿真结果表明，电容的变化对直流侧电压跟随性能改善效果显著。该方法可根据不同情况下的控制要求，预先调整电容，灵活实现直流侧电压控制目标，在小功率电源变换电路和控制电路中有一定应用价值。