【电力电子在电力系统中的应用】6 滞环电流控制的PWM整流器 + STATCOM整流器 + APF仿真
【仅供参考】
【2023.06西南交大电力电子在电力系统中的应用】
目录
步骤一：基于滞环电流控制的PWM整流器仿真
1.1 仿真要求
1.2 仿真电路原理及设计
1.2.1 主电路的搭建
1.2.2 控制电路的搭建
1.3 波形分析
步骤二：从PWM整流器到STATCOM仿真
2.1 仿真要求
2.2 仿真电路设计
2.2.1 主电路的搭建
2.2.2 控制电路的搭建
步骤三：从STATCOM整流器到APF仿真
3.1 仿真要求
3.2 仿真电路设计
3.3 波形分析
步骤一：基于滞环电流控制的PWM整流器仿真
1.1 仿真要求
- 搭建三相两电平电压型PWM整流器主电路，网侧输入电压为三相工频380V，直流输出电压为750V，功率开关采用IGBT；
- 适用三相PLL模块dq模型检测电流有功无功、搭建三相电流滞环控制模块、直流电压PI控制模块，要求控制网侧功率因数为1；
- 仿真并分析网侧电压和电流波形、三相PWM整流器输入端口电压波形及输出直流电压波形；
- 给出直流负载突变时，前述电压和电流波形。
1.2 仿真电路原理及设计
1.2.1 主电路的搭建
如图，网侧输入电压为三相工频380V，直流输出电压为750V，功率开关采用IGBT：
1.2.2 控制电路的搭建
首先，根据控制模型：
可得PWM变流器输出电压为：
公式中的比例系数与微分可通过PI控制器近似实现，可得如下框图：
相应simulink仿真电路如下：
但是，该控制模型结构较为复杂，故直接简化，采用滞环电流比较的直接电流控制系统。这种系统结构简单，电流响应速度快，控制运算中未使用电路参数，系统鲁棒性好。
其基本原理是把指令电流i*和实际输出电流i的偏差i*−i作为滞环比较器的输入。
S1通时，i增大，滞环比较器输出为负；S2通时，i减小，滞环比较器输出为正；通过环宽为2ΔI的滞环比较器的控制，i在i*+ΔI和i*−ΔI的范围内，呈锯齿状地跟踪指令电流i*：
在simulink中搭建三相电流滞环控制模块如下（指令电流为Iref，实际输出电流为I）：
1.3 波形分析
由所的波形可知，控制网侧功率因数近似为1。
PI参数选择：kp: 0.565；ki: 0.765。
通过step模块相加的跳变波形来控制背对背IGBT开关器件的开断，达到负载突变的效果（一个step模块于0.1s从0阶跃为1，另一个step模块于0.2s从0阶跃为-1，从而使负载阻值于0.1s时突变为原来的1/2，再于0.2s时突变为原来的阻值）：
网侧电压和电流波形、三相PWM整流器输入端口电压波形及输出直流电压波形如下（包含直流负载突变时的情况）：
由图可知，在直流负载阻值突变为原来一半时：输出直流电压稍有下降；网侧电压波形三相频率略有降低、幅值略有下降；网侧电流幅值上升；三相PWM整流器输入端口电压波形三相频率略有降低。
步骤二：从PWM整流器到STATCOM仿真
2.1 仿真要求
- 在PWM整流器基础上，增加无功负载;
- 增加负载无功电流的检测;
- 将PWM整流器的无功给定为0的模块，替换为负载无功电流检测模块的输出;
- 让PWM整流器补偿无功。
2.2 仿真电路设计
2.2.1 主电路的搭建
在PWM整流器基础上，增加无功负载、增加负载无功电流的检测：
2.2.2 控制电路的搭建
将PWM整流器的无功给定为0的模块，替换为负载无功电流检测模块的输出，让PWM整流器补偿无功，则1.2.2中的框图改变为：
再结合滞环简化后，根据框图搭建simulink控制部分仿真电路如下：
其中，LPF低通滤波器由两个filter模块和一个常数0组成：
步骤三：从STATCOM整流器到APF仿真
3.1 仿真要求
- 在STATCOM仿真基础上，增加谐波负载电流的检测;
- 将STATCOM整流器的谐波补偿指令电流加入的电流跟踪指令;
- 让变换器具有补偿谐波的功能。
- 给出负载突变补偿谐波和无功的结果
3.2 仿真电路设计
对应框图如下：
在STATCOM仿真基础上，增加谐波负载电流的检测; 将STATCOM整流器的谐波补偿指令电流加入的电流跟踪指令; 让变换器具有补偿谐波的功能：
3.3 波形分析
负载突变补偿谐波和无功的结果：
输出直流电压（响应速度快，无超调，负载突变时稳定性良好）：
