三相电压型SVPWM整流器用于无功补偿的仿真

李 林 徐宁生 王 文 张淑君

宣城供电公司变电工区 安徽 宣城 242000

0 引言

三相电压型整流器主要应用于大型或中等功率的电力电子电路中，通常用作逆变电路、大型UPS电源的前级直流电源。三相电压型整流器能够实现单位功率因数校正、消除谐波对电网的污染，是近年来的研究热点。

整流器的控制质量主要取决于交流侧的电流波形、功率因数、直流侧电压的稳定性等。随着PWM脉冲调制技术的发展，空间矢量脉宽调制（SVPWM）技术、滞环电流PWM控制等技术，广泛应用于PWM整流器控制。同时，现代控制理论、智能控制技术的迅速发展，也使得PWM整流器的性能不断提高[1-2]。三相电压型SVPWM 整流器具有直流电压利用率高、谐波小、稳定性好等优点，可以运行于整流、逆变、无功补偿等多种工作状态。

本文采用电网电压定向矢量控制技术、空间矢量脉宽调制技术，对三相电压型SVPWM整流器的无功补偿运行模式进行了仿真分析。利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，仿真结果表明，三相电压型SVPWM整流器的响应速度快、稳定性好、能够支持电网电压的稳定、实现对电网的无功补偿。

1 整流器的电路及数学模型

图1为三相电压型PWM整流器的主电路。稳态工作时，整流器的输出直流电压稳定，三相桥臂由正弦脉宽调制驱动[3-5]。

图1 三相PWM整流器的主电路

当开关频率很高时，电感的滤波作用使得交流侧电压、电流的谐波非常小。只考虑电压、电流的基波，整流器可以看作是一个理想的三相交流电压源。

通过调节输入电压的幅值、相位，可以控制整流器交流侧输入电流的幅值、电流与电压的相角，使整流器运行于以下三种工作状态。

1）功率因数接近于1的整流运行。此时，交流侧电流为正弦且与电网电压同相，能量由电网流入整流器，电网与整流器之间几乎无无功功率流动。

2）功率因数接近于1的逆变运行。此时，交流侧电流为正弦且与电网电压反相，能量由整流器流入电网，电网与整流器之间几乎无无功功率流动。

3）功率因数不为1的运行状态。此时，交流侧电流与电网电压具有一定的相位关系。当交流侧电流为正弦且与电网电压保持90度的相位关系时，整流器可作为静止无功补偿器（STATCOM）运行。此外，在整流器非单位功率因数运行时，还可以利用交流侧电流进行谐波治理。

设三相电网电压平衡，主电路开关器件为理想开关，通断可以用开关函数表示。根据PWM整流器的拓扑结构，可得：

式中，ua、ub、uc为等效三相电网电压；ia、ib、ic为整流器输入三相电流；idc为变流器直流侧输出电流；iload为整流器直流侧负载电流；udc为整流器输出直流电压；Sa、Sb、Sc分别为三相桥臂的开关函数，当Si=1时，表示第i相上管导通，当Si=0时，表示第i相下管导通。

2 整流器的无功补偿控制策略

在三相三线制系统中，三相电流之和为零，有ia+ib+ic=0；三相电压平衡，有ua+ub+uc=0。将这两个条件带入式（1）中，可得三相电压型PWM整流器在abc坐标系下的数学模型：

对式（2）进行3s/2r（三相静止到两相旋转）坐标变换，可得PWM整流器在两相同步旋转dq坐标系下的数学模型：

为简化控制算法，应用空间坐标变换，将同步旋转坐标系的d轴定向于电网电压矢量us的方向上，um为电网电压的幅值，电网电压的dq分量为

输入电流满足

式中，uds、uqs为整流器交流侧电压的d、q轴分量，uds=Sdudc，uqs=Squdc。

上式表明d、q轴电流除受控制量uds、uqs的制约外，还受交叉耦合项ω1Lids、ω1Liqs和电网电压的影响。

将式（5）改写为

其中

整流器处于无功补偿状态的控制策略，与正常工作时不同。正常工作时，无功电流的指令为零。无功补偿时，整流器需要根据电网电压的变化，动态改变无功补偿电流的指令。

图2为整流器运行在无功补偿状态的控制框图。整流器采用双闭环控制，电压外环主要控制三相SVPWM变流器的直流侧电压，直流电压指令值与反馈的误差，经电压调节器计算得到有功电流指令值 ，其值决定了有功功率的大小，符号决定了有功功率的流向。通过比较电网电压幅值指令值与实际值，经过PI调节器来产生无功补偿电流i*qs。

同时，还要限定无功电流指令i*qs的幅值，通过对有功电流指令进行限制。变流器交流侧参考电压u*ds、u*qs经坐标变换后进行SVPWM调制，产生的驱动信号实现整流器的无功补偿控制。

图2 整流器的无功补偿控制策略

3 整流器的仿真分析

利用Matlab/Simulink搭建了仿真模型，如图3所示。

图3 整流器的仿真模块

图4 直流电压的波形

采用线电压为380V的可编程三相电源，频率50Hz，在t=0.3s~0.6s之间电源电压的幅值跌落20%，其他时间正常。L的参数，L＝5mH；并联电容容量，有功800W，无功5000 var。

整流器的参数，L=6 mH，R＝0.01Ω； 电容C=4400uF，电容的初始电压为700V，直流电压的指令值为700V；负载电阻RL=50Ω；无功电流最大指令为25；交流电压幅值指令为220V；三角载波的频率为10 kHz，调制比m=1。

仿真结果分析。

1）直流母线动态响应

由图4可见，初始时刻，电容的电压设为700V。仿真开始后，直流电压出现波动，整个电压跌落过程中，直流电压在700V上下波动，波动范围较小，控制效果可以满意。

2）整流器交流侧电压、电流波形

由图5可见，在t=0 s~0.3s，整流器交流侧a相的电压、电流基本稳定，功率因数接近于1。

图5 交流侧的a相电压、电流波形

在t=0.3 s~0.6s，三相电源电压跌落20%，引起整流器a相电压的跌落，整流器开始运行于无功补偿状态。在t=0.5s，整流器交流侧a相的电压、电流又基本稳定，但功率因数不为1。

在t=0.6s，三相电源电压恢复正常，整流器交流侧a相的电压、电流又出现波动。在t=0.7s，整流器交流侧a相的电压、电流基本稳定，功率因数接近于1。

3）整流器的有功功率的波动

由图6、7可见，在t=0s~0.3s，有功电流分量、有功功率基本稳定。在t=0.3s~0.6s，三相电源电压跌落20%，引起交流侧有功电流分量、有功功率的突变。在t=0.5s，整流器的有功电流分量、有功功率又基本稳定。

图6 有功电流波形

图7 有功功率突变

在t=0.6s，三相电源电压恢复正常，有功电流分量、有功功率又出现波动。在t=0.7s，有功电流分量、有功功率又基本稳定。

4）整流器无功功率的波动

由图8、9可见，在t=0 s~0.3s，无功电流分量、无功功率基本稳定为0。在t=0.3s~0.6s，三相电源电压跌落20%，引起交流侧无功电流分量、无功功率的突变，无功功率为负值，说明整流器向电网、负载进行无功补偿。在t=0.5s，整流器交流无功电流分量、无功功率又基本稳定，但不为0。

图8 无功电流波形

图9 无功功率突变

在t=0.6s，三相电源电压恢复正常，无功电流分量、无功功率又出现波动。在t=0.7s，无功电流分量、无功功率又基本稳定为0。

4 总结

本文利用Matlab/Simulink软件，对三相电压型SVPWM整流器的无功补偿运行模式进行了仿真。在仿真系统中，电网侧的并联电容、串联电感的选择至关重要，是实现无功补偿的重要元器件。

实际上，利用并联电容进行无功补偿存在着一定的缺点，并联电容只能向电网发送无功功率，而不能吸收无功功率。本仿真电路只适用于电网电压跌落时，支持电网电压的稳定，对实际应用有一定的参考价值。

[1] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.

[2] 李永东，王剑.PWM整流器的现状与展望[J].2006中国电工技术学会电力电子学会第十届学术年会，2006.

[3] M.Malinowski，M.P.Kazmierkowsk Simple Direct Power control of three phase PWM rectifier Using space-vector Modulation[J].IEEE Trans.Ind.Appl，vol.51，no.2，2004：447-454.

[4] 马皓，郎芸萍.空间矢量简化算法在三相PWM电压型整流器中的应用 [J].浙江大学学 （工学版），2006，40（01）：176-180.

[5] 王永，沈颂华，关淼.新颖的基于电压空间矢量三相双向整流器的研究[J].电工技术学报，2006，21（01）：104-110.