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

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🔥 内容介绍

本研究围绕三相 AC - DC - AC PWM 变换器展开，基于 SimPowerSystems 平台构建基于三相 PWM VSC 的电源供应模型。通过深入分析三相 PWM VSC 的工作原理，合理设计模型架构，详细设定各模块参数。对搭建的模型进行仿真测试，研究不同工况下电源供应系统的输出特性、功率因数、谐波含量等性能指标，探讨模型的优化方向与改进策略，为三相 PWM VSC 在电源供应领域的实际应用与性能提升提供理论依据和技术支持。

一、引言

随着电力电子技术的飞速发展，三相 AC - DC - AC PWM 变换器在众多领域得到广泛应用，其中基于三相 PWM 电压源型换流器（VSC）的电源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 是 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。通过构建基于 SimPowerSystems 的三相 PWM VSC 电源供应模型，可深入研究其工作过程和性能特点，为优化设计和实际应用提供重要参考。本研究旨在通过 SimPowerSystems 搭建基于三相 PWM VSC 的电源供应模型，分析其性能，探索改进方法，推动该技术在电源供应领域的进一步发展。

二、三相 PWM VSC 工作原理

2.1 基本结构

三相 PWM VSC 主要由三相全桥电路、直流侧电容和滤波电感组成。三相全桥电路由六个功率开关器件（如 IGBT）及其反并联二极管构成，是实现电能变换的核心部分；直流侧电容用于稳定直流母线电压，存储和释放能量；滤波电感则起到平滑交流侧电流、抑制谐波的作用 。

2.2 工作模式

三相 PWM VSC 存在整流和逆变两种工作模式。在整流模式下，三相 PWM VSC 将三相交流输入电能转换为直流电能，为负载或直流侧储能设备供电。此时，交流侧电压与电流同相位，功率因数接近 1，电流谐波含量低。在逆变模式下，三相 PWM VSC 将直流侧电能转换为三相交流电能输出，可实现电能的双向流动，满足不同应用场景下的能量传输需求 。

2.3 控制策略

常见的控制策略为双闭环控制，即电压外环和电流内环控制。电压外环主要作用是稳定直流母线电压，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；电流内环则根据电压外环输出的给定值，控制交流侧电流的幅值和相位，实现单位功率因数运行，并有效抑制电流谐波 。

三、基于 SimPowerSystems 的模型搭建

3.1 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。模型主要包括三相交流电源模块、三相 PWM VSC 模块、直流侧电容模块、滤波电感模块、负载模块以及控制模块。三相交流电源模块提供稳定的三相交流输入；三相 PWM VSC 模块实现电能的 AC - DC - AC 变换；直流侧电容和滤波电感模块分别用于稳定直流电压和滤波；负载模块模拟实际用电设备；控制模块采用双闭环控制策略，对 VSC 进行实时控制 。

四、模型仿真与结果分析

4.1 仿真工况设定

设定多种仿真工况，包括稳态运行工况、负载突变工况和电源电压波动工况等，以全面研究模型在不同条件下的性能表现。在稳态运行工况下，观察系统稳定后的输出特性；在负载突变工况下，模拟负载突然增加或减少，分析系统的动态响应能力；在电源电压波动工况下，改变三相交流电源的幅值或频率，研究系统的抗干扰能力 。

4.2 仿真结果分析

1. 稳态运行结果：在稳态运行工况下，通过仿真得到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，验证了三相 PWM VSC 电源供应系统在稳态下的良好性能 。

1. 负载突变结果：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，系统动态响应速度快，具有较强的抗负载扰动能力；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 。

1. 电源电压波动结果：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，表明该模型具有一定的抗电源电压波动能力 。

五、模型优化与改进

5.1 现有问题分析

通过对仿真结果的深入分析，发现模型仍存在一些问题。例如，在负载突变瞬间，直流母线电压和交流侧电流会出现较大的瞬态波动；在电源电压波动较大时，系统的输出性能会受到一定影响；同时，现有的 PI 控制策略在某些复杂工况下控制效果不够理想 。

5.2 优化策略探讨

1. 改进控制策略：考虑引入智能控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，与传统的 PI 控制相结合，提高系统在复杂工况下的控制精度和动态响应性能。

1. 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，以降低瞬态波动，提高系统稳定性和电能质量。

1. 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 。

六、结论

本研究基于 SimPowerSystems 成功搭建了基于三相 PWM VSC 的电源供应模型，通过对其工作原理的分析、模型的搭建与参数设置、仿真测试与结果分析，深入研究了该电源供应系统的性能特点。仿真结果表明，该模型在稳态和多种动态工况下均能实现稳定运行，具有良好的输出特性、较高的功率因数和较低的谐波含量。同时，针对模型存在的问题提出了相应的优化与改进策略。本研究成果为三相 PWM VSC 在电源供应领域的实际应用提供了理论支持和仿真依据，后续可进一步开展实验研究，验证模型的有效性，并对优化策略进行实际应用测试，推动该技术的不断发展与完善。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

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