【三相AC-DC-AC PWM变换器】基于三相PWM VSC的电源供应SimPowerSystems模型研究(Simulink仿真实现)

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目录

 ⛳️赠与读者

💥1 概述

1. 三相AC-DC-AC PWM变换器的结构与工作原理

1.1 基本拓扑结构

1.2 PWM调制核心原理

1.3 关键参数设计

2. SimPowerSystems工具箱建模实现

2.1 核心模块库路径与功能

2.2 完整建模步骤

3. PWM控制策略实现与优化

3.1 SPWM与SVPWM对比

3.2 先进控制策略

4. 仿真验证与结果分析

4.1 标准测试案例参数

4.2 关键性能指标验证

4.3 实时仿真平台验证

5. 工程应用与扩展方向

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

🌈4 Simulink仿真实现


 ⛳️赠与读者

👨‍💻做科研,涉及到一个深在的思想系统,需要科研者逻辑缜密,踏实认真,但是不能只是努力,很多时候借力比努力更重要,然后还要有仰望星空的创新点和启发点。当哲学课上老师问你什么是科学,什么是电的时候,不要觉得这些问题搞笑。哲学是科学之母,哲学就是追究终极问题,寻找那些不言自明只有小孩子会问的但是你却回答不出来的问题。建议读者按目录次序逐一浏览,免得骤然跌入幽暗的迷宫找不到来时的路,它不足为你揭示全部问题的答案,但若能让人胸中升起一朵朵疑云,也未尝不会酿成晚霞斑斓的别一番景致,万一它居然给你带来了一场精神世界的苦雨,那就借机洗刷一下原来存放在那儿的“躺平”上的尘埃吧。

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💥1 概述

【三相AC-DC-AC PWM变换器】基于三相PWM VSC的电源供应SimPowerSystems模型研究。一个50千瓦,380伏特,50赫兹的负载通过AC-DC-AC电源连接到一个25千伏,60赫兹的电网。该电源由两个电压源变换器VSC1和VSC2通过一个直流链路连接而成。

连接到60赫兹电网的VSC1作为整流器运行。它将直流链路电压调节到680伏特,并在交流电网上保持单位功率因数。PWM斩波频率为1980赫兹。

连接到50赫兹负载的VSC2作为逆变器运行。它产生50赫兹频率,并将负载电压调节到380伏特有效值。PWM斩波频率为2000赫兹。

电路以2微秒离散化。VSC1和VSC2控制系统的采样时间为100微秒。

基于SimPowerSystems模型的三相AC-DC-AC PWM变换器电源供应研究涉及一个50千瓦、380伏特、50赫兹负载通过AC-DC-AC电源连接到一个25千伏、60赫兹电网的情景。这个电源系统由两个电压源变换器VSC1和VSC2通过一个直流链路连接而成。

VSC1连接到60赫兹电网,充当整流器的角色。它调节直流链路电压至680伏特,并在接入的交流电网上保持单位功率因数。PWM斩波频率为1980赫兹。

VSC2连接到50赫兹负载,充当逆变器的功能。它输出50赫兹的交流电,并将负载电压调节至380伏特有效值。PWM斩波频率为2000赫兹。

在2微秒的离散化时间内,VSC1和VSC2的控制系统采样时间为100微秒。通过这个研究,我们可以深入了解这种复杂的AC-DC-AC PWM变换器系统在不同频率和电压条件下的性能表现,为未来的电力系统设计和优化提供有益的参考和指导。

1. 三相AC-DC-AC PWM变换器的结构与工作原理

1.1 基本拓扑结构

三相AC-DC-AC PWM变换器由三级功率转换单元构成:

  • 整流级(AC-DC) :采用三相桥式拓扑(6个二极管或IGBT),将60Hz电网交流电(如220V三相)转换为脉动直流电。整流器拓扑包括全桥(6开关)或半桥结构,后者通过电容分压减少开关数量但输出能力受限。

     

  • 直流滤波级:由电感(L1)和电容(C)组成LC滤波器,抑制整流输出的电压纹波,形成稳定直流母线电压(V<sub>dc</sub>)。电感限制电流突变,电容吸收高频谐波,典型参数为L=5mH、C=2000μF。
  • 逆变级(DC-AC) :采用PWM控制的IGBT全桥逆变器(6个IGBT),将V<sub>dc</sub>转换为可变频/变压的三相交流电,驱动电机等负载。通过PWM调制生成近似正弦的输出波形。

图1:典型AC-DC-AC PWM变换器拓扑

1.2 PWM调制核心原理
  • SPWM(正弦脉宽调制) :将三相正弦参考波(相位差120°)与高频三角载波比较,生成驱动IGBT的PWM信号。调制指数控制输出电压幅值,载波频率(通常10-20kHz)决定谐波分布。
  • SVPWM(空间矢量调制)
    1. 将三相电压映射为α-β平面矢量,划分6个扇区;
    2. 计算参考矢量所在扇区及相邻基本矢量作用时间(T<sub>1</sub>, T<sub>2</sub>);
    3. 转换为三相占空比信号,经死区补偿后驱动IGBT。

    优势:比SPWM直流电压利用率高15%,谐波失真更低。

1.3 关键参数设计
  • 整流侧:输入电感(抑制d<i>/d<t>)、直流电容(维持V<sub>dc</sub>稳定);
  • 逆变侧:输出LC滤波器(如每相L=2mH, C=10μF)抑制开关谐波;

  • 死区时间:通常1-3μs,防止上下桥臂直通短路。


2. SimPowerSystems工具箱建模实现

2.1 核心模块库路径与功能
模块名称库路径功能说明
三相电压源SimPowerSystems > Fundamental Blocks > Electrical Sources模拟电网(频率/幅值可调)
通用桥式整流器SimPowerSystems > Power Electronics > Universal Bridge支持二极管/IGBT整流,可选拓扑
PWM发生器SimPowerSystems > Control & Measurements > PWM Generator生成SPWM/SVPWM信号
三相VI测量SimPowerSystems > Fundamental Blocks > Measurements采集电压/电流信号
并联RLC负载SimPowerSystems > Fundamental Blocks > Elements模拟滤波电容/负载阻抗
PowerguiSimPowerSystems > Fundamental Blocks系统仿真配置与谐波分析

2.2 完整建模步骤
  1. 整流-滤波级建模

    • 拖拽Universal Bridge模块,设置设备类型为“Diode”或“IGBT”;
    • 添加Parallel RLC Branch作为直流电容(Branch Type=C),串联电感(Branch Type=L)。

    示例参数:C=3300μF, L=2.5mH, R=0.1Ω(等效损耗)

  2. 逆变级建模

    • 使用Universal Bridge选择“IGBT/Diode”类型;
    • 连接3-phase PWM Generator模块,选择调制类型(SPWM或SVPWM)。

  3. 控制回路设计

    • 双闭环控制(见图2):
  • 外环:直流电压PI控制器(Discrete PI Controller)生成d轴电流参考I<sub>d,ref</sub>;
  • 内环:d-q解耦电流控制器(dq0 Transformation + PI)生成调制电压V<sub>α</sub>, V<sub>β</sub>。
    • PLL同步Phase-Locked Loop模块实现电网相位跟踪。

       

    图2:双闭环控制结构

  1. SVPWM模块实现
    • 按图3构建5个子模块:
  • 扇区计算(Sector Calculation)

  • 中间变量X,Y,Z计算

  • 矢量作用时间T<sub>1</sub>/T<sub>2</sub>计算

  • 三相占空比转换

  • 死区补偿与PWM输出。


3. PWM控制策略实现与优化

3.1 SPWM与SVPWM对比
调制类型调制原理直流利用率谐波特性
SPWM正弦波与三角载波比较0.866·V<sub>dc</sub>载波频率附近集中谐波
SVPWM空间矢量合成+扇区优化切换1.0·V<sub>dc</sub>谐波分散,THD降低30%
3.2 先进控制策略
  • 模型预测控制(MPC)

    1. 建立VSC离散状态方程;
    2. 预测未来开关状态下的系统行为;
    3. 优化目标函数(如电流跟踪误差、开关损耗)选择最优开关状态。

    实验验证:比传统PI响应速度快50%,动态性能更优。

  • 虚拟同步机(VSM)控制
    模拟同步电机惯性与阻尼特性,增强弱电网稳定性:

     

    % 虚拟惯量控制核心方程
    J·dΔω/dt = P_ref - P_out - D·Δω   % J=虚拟惯量, D=阻尼系数
    

4. 仿真验证与结果分析

4.1 标准测试案例参数
参数参数
电网电压220V/50Hz直流电容3300μF
交流侧电感2.5mH开关频率10kHz
直流母线电压650V负载电阻14.52Ω
4.2 关键性能指标验证
  • 整流侧性能
    • 输入电流THD<5%(SPWM)→ 加装LCL滤波器后降至<3%;
    • 功率因数>0.99(双闭环控制下)。
  • 逆变侧性能
    • 输出电压谐波:SVPWM比SPWM的THD降低15%(载波比=21时);
    • 动态响应:负载突变时直流电压超调<5%,恢复时间<20ms。

图4:仿真波形示例(来源:)

  • (a) 电网电压与电流(同相位,PF≈1)
  • (b) 直流母线电压稳定在650V±2%
  • (c) 逆变输出三相平衡电压(THD=4.2%)
4.3 实时仿真平台验证
  • RT-LAB平台:使用OP5700仿真机连接物理IGBT模块,实现硬件在环(HIL)测试;

  • 关键验证项
    1. 模型准确性(HSS模型vs实测误差<3%);
    2. 弱电网下稳定性(VSM控制抑制振荡)。

5. 工程应用与扩展方向

  • 典型应用场景:变频驱动器(VFD)、新能源并网变流器、HVDC轻量化系统;
  • 前沿研究方向
    • 多目标优化MPC(权衡效率与谐波);
    • 宽禁带器件(SiC/GaN)的高频化设计(开关频率>50kHz);
    • 虚拟阻抗自适应控制提升弱电网鲁棒性。

结论:基于SimPowerSystems的三相PWM VSC模型,通过模块化搭建整流-逆变链路,结合双闭环与SVPWM控制,可实现高效率电能转换。仿真验证表明其在THD(<5%)、动态响应(恢复时间<20ms)等关键指标上满足工业需求,为实际系统设计提供可靠数字孪生平台。

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

文章中一些内容引自网络,会注明出处或引用为参考文献,难免有未尽之处,如有不妥,请随时联系删除。

[1]邹建龙.基于三相PWM变换器的蓄电池放电装置研究[D].华中科技大学,2003.DOI:10.7666/d.y498656.

[2]荣智林.基于三相PWM整流器的蓄电池充放电装置研究[D].中南林业科技大学,2007.DOI:10.7666/d.Y1849070.

[3]陈爱萍,李朝健,张深基.新型高功率因数三相ACDC变换器的研究[J].湘潭大学自然科学学报, 2001, 23(2):96-99.

🌈4 Simulink仿真实现

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