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。