【三相交流-直流-交流脉宽调制转换器】基于三相PWM电压源换流器的电力供应SimPowerSystems模型（Simulink仿真实现）

大龙不吃小鱼干

于 2025-07-27 00:59:11 发布

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目录

⛳️赠与读者

💥1 概述

三相交流-直流-交流脉宽调制转换器：基于三相PWM电压源换流器的电力供应SimPowerSystems模型研究

一、研究背景与意义

二、三相PWM VSC电源供应系统概述

三、SimPowerSystems模型架构设计

四、关键参数设计

五、控制策略实现

六、仿真测试与结果分析

七、模型优化与改进策略

📚2 运行结果

🎉3 参考文献

🌈4 Simulink仿真实现

⛳️赠与读者

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或许，雨过云收，神驰的天地更清朗.......🔎🔎🔎

💥1 概述

一个50千瓦、380伏、50赫兹的负载通过交流-直流-交流电源连接到25千伏、60赫兹的电网。该电源包括两个电压源转换器，VSC1和VSC2，它们通过一个直流环节相连。

连接到60赫兹电网的VSC1作为整流器运行。它将直流环节电压稳定在680伏，并在交流电网保持单位功率因数。PWM斩波频率为1980赫兹。

连接到50赫兹负载的VSC2则作为逆变器运行。它产生50赫兹的频率，并将负载电压稳定在380伏特（RMS）。PWM斩波频率为2000赫兹。

电气电路以2微秒的时间间隔进行离散化。VSC1和VSC2控制系统采样时间为100微秒。

一个额定功率为50千瓦、工作电压380伏特、频率50赫兹的重载设备，通过一套先进的交流-直流-交流变换电源系统，实现了与25千伏特、频率60赫兹的高压电网的无缝对接。此电源系统核心包含两个精心设计的电压源转换器（Voltage Source Converters, VSC），即VSC1与VSC2，二者经由一个高效直流环节紧密联结，协同工作以满足不同频率与电压等级间的转换需求。

其中，面向60赫兹电网侧的VSC1扮演着整流器的角色，不仅负责将直流环路电压精准调控在680伏特，同时还确保交流电网侧的功率因数恒定于单位值，从而最大限度地提高了电能利用率。VSC1采用了1980赫兹的高频脉宽调制（PWM）斩波技术，以实现对电流波形的精细控制与谐波抑制。

另一方面，与50赫兹负载相连的VSC2则作为逆变器运作，不仅生成与负载匹配的50赫兹交流电，还精确调控输出电压至380伏特（均方根值），确保了对敏感负载的稳定供电。VSC2采用略高的2000赫兹PWM斩波频率，以进一步优化输出质量和动态响应能力。

整个电气系统以精细化的时间分辨率进行模拟，每个计算周期设为2微秒，确保了对瞬态过程的准确捕捉。而VSC1与VSC2的控制回路则采取更为频繁的采样策略，每100微秒更新一次控制信号，以实现对系统动态的快速响应与精确控制，进而保证了整个电力转换过程的高效、稳定与电力质量的优越。此配置在满足跨频跨压供电需求的同时，也为电力系统的灵活性与可靠性树立了新的标准。

【三相交流-直流-交流脉宽调制转换器】的研究涉及建立一种基于三相脉冲宽度调制（PWM）电压源换流器（VSC）的电力供应SimPowerSystems模型。此研究专注于模拟和分析三相AC-DC-AC变换系统的工作特性，特别是其在电力电子转换、电网接口及电能质量控制方面的能力。模型需涵盖从三相交流电输入到直流环节的整流过程，以及从直流环节到另一三相交流输出的逆变过程，同时实现高效的电能转换与控制策略，如电流控制、电压控制、最大功率点追踪（MPPT）以及电网同步等高级功能。

研究中，SimPowerSystems，作为一个专业的电力系统仿真工具，被用来设计和验证三相PWM VSC的控制算法及系统动态性能。该模型会详细考虑开关器件的非理想特性、滤波器设计、控制环路设计（包括内环电流控制和外环电压/频率控制）、以及直流环节电压的稳定控制等关键要素。

此外，该研究可能还会探讨不同工况下的系统响应，比如电网扰动时的低电压穿越能力、有功与无功功率控制对于电网支撑的作用、以及如何优化变换器效率与减轻谐波污染等。通过这样的深入研究，可以为设计高效、稳定且适应性强的三相交流-直流-交流脉宽调制转换器提供坚实的理论基础和实践指导。

三相交流-直流-交流脉宽调制转换器：基于三相PWM电压源换流器的电力供应SimPowerSystems模型研究

一、研究背景与意义

随着电力电子技术的飞速发展，三相交流-直流-交流脉宽调制（AC-DC-AC PWM）转换器在分布式发电、微电网、电动汽车充电站等领域得到了广泛应用。其中，基于三相PWM电压源换流器（VSC）的电力供应系统因其具有功率因数高、谐波含量低、能量双向流动等优点，成为电力变换与电源供应领域的研究热点。SimPowerSystems作为MATLAB/Simulink环境下专门用于电力系统仿真的工具包，能够准确模拟电力电子器件的工作特性和电力系统的动态行为，为三相PWM VSC电源供应系统的设计与优化提供了有力支持。

二、三相PWM VSC电源供应系统概述

三相PWM VSC电源供应系统主要由两个电压源换流器（VSC1和VSC2）通过一个直流环节相连构成。VSC1连接到高压交流电网（如60赫兹、25千伏电网），作为整流器运行，将交流电能转换为直流电能；VSC2连接到负载侧交流电网（如50赫兹、380伏负载），作为逆变器运行，将直流电能转换为交流电能，为负载供电。该系统能够实现不同频率与电压等级间的电能转换，满足跨频跨压供电需求。

三、SimPowerSystems模型架构设计

在SimPowerSystems环境下，按照三相PWM VSC电源供应系统的组成结构搭建模型，主要包括以下模块：

三相交流电源模块：提供稳定的三相交流输入，模拟实际电网环境。
三相PWM VSC模块：实现电能的AC-DC-AC变换，是模型的核心部分。采用三相全桥电路拓扑，由六个功率开关器件（如IGBT）及其反并联二极管构成。
直流侧电容模块：用于稳定直流母线电压，存储和释放能量。
滤波电感模块：平滑交流侧电流，抑制谐波，提高电能质量。
负载模块：模拟实际用电设备，可以是电阻性负载、电感性负载或容性负载等。
控制模块：采用双闭环控制策略（电压外环和电流内环），对VSC进行实时控制，实现系统稳定运行和高效电能转换。

四、关键参数设计

整流侧参数：
- 输入电感：用于抑制电流突变，减少谐波污染。典型参数为L=5mH。
- 直流电容：维持直流母线电压稳定。典型参数为C=3300μF。
逆变侧参数：
- 输出滤波器：由电感和电容组成LC滤波器，抑制开关谐波。典型参数为每相L=2mH，C=10μF。
- 死区时间：防止上下桥臂直通短路，通常设置为1-3μs。
PWM调制参数：
- 载波频率：影响谐波分布和开关损耗。VSC1的PWM斩波频率为1980赫兹，VSC2的PWM斩波频率为2000赫兹。
- 调制方式：采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）方式，提高直流电压利用率，降低谐波失真。

五、控制策略实现

双闭环控制策略：
- 电压外环：稳定直流母线电压。通过将直流母线电压实际值与给定值比较，经PI调节器得到电流内环的给定值。
- 电流内环：控制交流侧电流的幅值和相位。根据电压外环输出的给定值，实现单位功率因数运行，并有效抑制电流谐波。
SVPWM模块实现：
- 扇区计算：将三相电压映射为α-β平面矢量，划分6个扇区。
- 矢量作用时间计算：计算参考矢量所在扇区及相邻基本矢量作用时间（T1, T2）。
- 占空比信号生成：转换为三相占空比信号，经死区补偿后驱动IGBT。

六、仿真测试与结果分析

稳态运行工况：
- 观察系统稳定后的输出特性，包括直流母线电压、交流侧电流波形、功率因数和谐波含量等。
- 仿真结果表明，在稳态运行工况下，直流母线电压稳定在设定值，波动范围较小；交流侧电流波形接近正弦波，功率因数接近1，谐波含量较低。
负载突变工况：
- 模拟负载突然增加或减少的情况，分析系统的动态响应能力。
- 仿真结果表明，当负载突然增加时，直流母线电压短暂下降后迅速恢复稳定，交流侧电流能够快速响应负载变化；当负载突然减少时，系统同样能快速调整，维持直流电压稳定和良好的电能质量。
电源电压波动工况：
- 改变三相交流电源的幅值或频率，研究系统的抗干扰能力。
- 仿真结果表明，在电源电压幅值发生±10%波动或频率发生±1Hz波动时，系统仍能保持稳定运行，直流母线电压和交流侧输出电压、电流的变化在可接受范围内。

七、模型优化与改进策略

优化参数设计：
- 进一步优化模型中各模块的参数，如调整直流侧电容和滤波电感的取值，优化PI调节器参数等，以降低瞬态波动，提高系统稳定性和电能质量。
增加补偿环节：
- 在系统中增加电压补偿或电流补偿环节，当电源电压波动或负载变化时，及时进行补偿，减小对系统输出性能的影响。
采用先进控制策略：
- 探索模型预测控制（MPC）、虚拟同步机（VSM）控制等先进控制策略在三相PWM VSC电源供应系统中的应用，提高系统的动态响应速度和鲁棒性。