【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

一、研究背景与意义

在新能源发电、工业调速、电力质量治理等领域，三相 AC-DC-AC PWM 变换器（核心为三相 PWM 电压源变换器 VSC）凭借其高功率因数、低谐波污染、灵活的能量双向流动能力，已成为核心电力电子装置。传统电源供应系统存在谐波畸变率高、功率因数低、电压调节精度不足等问题，而基于三相 PWM VSC 的电源供应系统可通过精确的脉冲宽度调制（PWM）控制，实现交流输入与交流输出之间的高效能量转换，同时保证输入侧电流正弦化、输出侧电压稳定可靠。

SimPowerSystems 作为 MATLAB/Simulink 的专业电力系统仿真工具箱，提供了丰富的电力电子器件、控制模块和测量工具，能够精准复现三相 PWM VSC 的工作机理与动态特性。本研究通过搭建 SimPowerSystems 仿真模型，深入分析 VSC 的拓扑结构、控制策略及系统性能，为实际电源供应系统的设计、优化与调试提供理论支撑和仿真验证，具有重要的工程应用价值。

二、三相 PWM VSC 的核心原理

1. 拓扑结构

三相 AC-DC-AC PWM 变换器由整流侧（网侧 VSC）、中间直流环节和逆变侧（负载侧 VSC） 三部分组成，拓扑结构如下：

• 整流侧 VSC

  ：由 6 个全控型电力电子器件（如 IGBT）组成三相桥式电路，负责将三相交流电网电压转换为稳定的直流电压，同时通过控制使输入电流跟踪电网电压相位，实现单位功率因数运行。

• 中间直流环节

  ：通常由大容量电解电容或电容 + 电感组成，作用是滤除整流侧输出的直流纹波，维持直流母线电压稳定，为逆变侧提供恒定的直流电源。

• 逆变侧 VSC

  ：同样为三相桥式电路，通过 PWM 控制将直流母线电压逆变为频率、幅值可调的三相正弦交流电压，为负载提供稳定的电源。

2. 控制策略

三相 PWM VSC 的控制核心是双闭环控制，分为整流侧控制和逆变侧控制：

（1）整流侧控制（网侧 VSC）

目标：维持直流母线电压稳定、输入电流正弦化、单位功率因数。

• 外环：直流母线电压闭环控制，通过 PI 调节器将实际母线电压与参考电压的偏差转换为 dq 坐标系下的 d 轴电流参考值（id*）。

• 内环：电流闭环控制，将三相输入电流经 Clark 变换（3→2 静止坐标系）和 Park 变换（2→2 旋转坐标系）转换为 dq 轴电流，通过 PI 调节器跟踪 id和 q 轴电流参考值（iq=0，保证单位功率因数），输出 dq 轴电压参考值。

• PWM 调制：将 dq 轴电压参考值经逆 Park 变换、逆 Clark 变换转换为三相电压参考值，通过空间矢量脉宽调制（SVPWM）生成 IGBT 的驱动脉冲。

（2）逆变侧控制（负载侧 VSC）

目标：输出电压的幅值、频率稳定，波形正弦化。

• 外环：输出电压闭环控制，通过 PI 调节器将实际输出线电压与参考电压的偏差转换为 dq 坐标系下的 d 轴电压参考值（ud*）。

• 内环：电流闭环控制（可选，提升动态响应），将负载电流转换为 dq 轴电流，跟踪电流参考值，抑制负载扰动。

• PWM 调制：同样采用 SVPWM 技术，生成逆变侧 IGBT 的驱动脉冲，保证输出电压的精度和正弦度。

3. SVPWM 调制原理

空间矢量脉宽调制（SVPWM）是三相 PWM VSC 的关键调制技术，其核心思想是：将三相电压参考值等效为一个旋转的空间电压矢量，通过选择逆变器的 8 个基本空间矢量（6 个有效矢量、2 个零矢量），按一定时间比例组合，使合成矢量逼近参考矢量，从而输出谐波含量低、电压利用率高的三相正弦波电压。

三、SimPowerSystems 模型搭建

1. 关键模块参数设置

2. 控制模块搭建（核心环节）

四、仿真结果与分析

1. 仿真场景设计

设置 3 个典型场景，验证系统性能：

• 场景 1：空载启动（逆变侧无负载），测试直流母线电压建立过程；

• 场景 2：额定负载运行（三相异步电机额定功率 5.5kW），测试输出电压稳定性与输入电流谐波；

• 场景 3：负载突变（负载从 50% 额定值突变为 100%），测试系统动态响应能力。

2. 关键仿真结果分析

（1）场景 1：空载启动

• 直流母线电压：启动后 0.1s 内从 0 上升至 540V 参考值，超调量 < 3%，稳定后纹波 < 2V；

• 输入电流：启动瞬间无明显冲击电流，稳定后电流接近 0（空载特性）。

（2）场景 2：额定负载运行

• 输出线电压：幅值稳定在 380V±5V，频率 50Hz，THD（总谐波畸变率）<3%（满足 GB/T 14549-93 标准）；

• 输入电流：波形接近正弦波，与电网电压相位差 <5°，功率因数> 0.98；

• 直流母线电压：稳定在 540V±3V，负载扰动下波动小。

（3）场景 3：负载突变

• 动态响应时间：从负载突变到输出电压恢复稳定的时间 < 0.05s；

• 电压跌落：负载突变时输出电压最大跌落 < 10V，无明显振荡；

• 输入电流：快速跟踪负载变化，无明显畸变。

五、模型优化与拓展

1. 现有模型改进方向

• 抑制谐波

  ：将 SVPWM 替换为载波移相 PWM（CPS-PWM），进一步降低输出电压 THD（可降至 1% 以下）；

• 提升动态性能

  ：采用 PI + 自适应控制或滑模控制替代传统 PI 调节器，增强系统对电网电压波动和负载扰动的鲁棒性；

• 能量双向流动

  ：在整流侧控制中加入四象限运行逻辑，实现负载制动能量回馈电网，提高能源利用率。

2. 工程应用拓展

• 适配新能源发电：将输入电源替换为光伏阵列或风力发电机模型，实现分布式电源的并网与供电；

• 电力质量治理：在整流侧加入谐波补偿控制，使系统兼具有源电力滤波器（APF）功能，抑制电网谐波；

• 多模块并联：搭建多台 VSC 并联模型，通过均流控制实现大功率电源供应。

六、结论

本研究基于 SimPowerSystems 搭建了三相 AC-DC-AC PWM 变换器电源供应模型，通过双闭环控制与 SVPWM 调制技术，实现了稳定的交流 - 直流 - 交流能量转换。仿真结果表明，该模型具有以下优势：

1. 输入侧功率因数高（>0.98）、电流谐波含量低（THD<3%），符合电网接入标准；

2. 输出侧电压幅值、频率稳定，动态响应快，能适应负载突变；

3. 直流母线电压纹波小，系统运行可靠。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 随婷婷,王晓峰.基于MATLAB/SIMULINK的三相异步起动永磁同步电动机的建模与仿真[J].山东大学学报(工学版), 2006, 36(1):40-43.DOI:10.3969/j.issn.1672-3961.2006.05.010.

[2] 夏扬.基于SIMULINK的感应电机建模及仿真研究[J].电气传动自动化, 2002, 24(1):5.DOI:10.3969/j.issn.1005-7277.2002.01.001.

[3] 贾周,王金梅.三相桥式可控整流电路的MATLAB仿真研究[J].电源世界, 2009.DOI:JournalArticle/5af3c5ecc095d718d81141ff.

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