作者：張嶺，趙錦成，邵天章，馬瑞平

隨著對用電設備的諧波標準越來越嚴格，PWM整流器的應用日益廣泛。在PWM整流器的控制中，目前研究最多、應用最廣且性能較為優良的方法是在d-q同步旋轉坐標系下的直接電流控制。為了實現電流的無靜差調節，該方法采用坐標變換將三相交流量變換成旋轉坐標系中的直流量進行控制，PI調節器積分環節的直流增益為無窮大，因此電流控制的穩態誤差為零。在控制結構上，通常采用雙閉環控制，即電壓外環和電流內環控制。其中電壓外環用于控制整流器的輸出電壓，電流內環實現網側電流的波形和相位控制。

在通常的同步旋轉坐標系的PI控制中，僅保證了期望的穩態性能，但不能保證在動態過程中電流的快速跟蹤，因此提出了大量改進控制方案。參考文獻［1］通過對影響電流動態響應速度因素進行分析，提出了利用動態過程中的無功電流來提高有功電流動態響應速度的方法。

本文對PWM整流器在d-q同步坐標系的數學模型及控制方法進行研究的基礎上，基于PSCAD軟件建立了其仿真模型，通過對交流側電感的設計進行分析，提出利用數字電感器取代傳統的電感線圈，使得電感參數在運行過程中可調，從而既可以實現電流的快速跟蹤，又可以達到抑制諧波電流的目的。

1 PWM整流器在d-q坐標系的數學模型及控制方法

三相電壓型PWM整流器的拓撲結構如圖1所示。主電路采用IGBT與二極管反并聯方式，Ls和Rs為電感的等效參數，C為直流濾波電容，RL為直流側負載，uca、ucb、ucc為整流橋三相控制電壓。通過坐標變換在同步旋轉坐標系下PWM整流器的方程為［1-2］：

isq*=0

綜上理論分析，利用Mannitoba HVDC研究中心的PSCAD/EMTDC工具，可以建立采用電壓外環和電流內環的雙閉環控制結構的PWM整流器仿真模型。

2 數字電感器原理及仿真實現

在電壓型三相橋式PWM整流器中，交流側電感的設計既要實現快速電流跟蹤的指標，又要抑制諧波電流。以正弦波控制為例，當電流過零時，其電流變化率最大，為滿足快速跟蹤電流要求，此時電感應該足夠小;而在正弦波電流峰值處，諧波電流脈動最嚴重，為滿足抑制諧波電流的要求，此時電感應該足夠大。隨著新型數字化元器件的出現，使得電感的在線調整成為現實。

2.1 數字電感器原理

以往電感參數的確定是在滿足有功、無功要求和電流波形品質指標的前提下，綜合考慮電感的成本和體積，在滿足性能要求的同時，使其數值盡量的小［3］。數字化元件采用帶總線接口進行數控方式調節，可通過單片機或邏輯電路進行編程，實現了“把模擬器件放到總線上”的全新設計理念［4］。

目前MAXIM公司生產的MAX1474（6.4 pF～13.3 pF，增量0.22 pF）和Intersil公司生產的X90100（7.5 pF～14.5 pF，增量0.23 pF）兩款數字電容器，可以在5 滋s內快速調整。在低頻情況下，可以使用高增益集成運算放大器來組成回轉器，實現從電容到電感的映射，制作數字化模擬電感。

取可變電感參數變化范圍分別為7.25 mH～50.09 mH和7.25 mH～14.01 mH，與取值為8 mH的不變參數電感進行對比分析。

為了便于對不變電感和數字電感的波形進行分析，仿真時間設置為10 s，前5 s電感保持定值為8 mH，5 s～10 s電感按照設置的要求變化。當電流過零點時，取最小值;當電流到達峰值時，取最大值。

3 仿真結果與分析

PSCAD軟件仿真電源上升時間為0.05 s，取穩態時間在4.96 s～5.04 s范圍內，電感變化前后的a相電流波形進行分析。

3.1 電感參數在7.25 mH～50.09 mH范圍內變化

（1）取可調所有32個檔位，a相電流波形如圖2所示。

由圖2、圖3可見，電感參數的變化范圍不宜過大，檔位增量調整較小為好。

3.2 電感參數在7.25 mH～14.01 mH范圍內變化

考慮到數字電容的變化范圍并且按照電感取值盡可能小的原則，取可變電感參數變化范圍為7.25 mH～14.01 mH，與取值為8 mH的不變參數電感進行對比分析。

（1）取可調所有32個檔位，a相電流波形如圖4所示。

由圖4波形可見，峰值時的諧波電流明顯減少。

（2）電感變化前后畸變因數分析。

輸入電流畸變因數隨時間的變化如圖5所示。由圖5可明顯看出，在調整為可變參數電感后，輸入電流峰值時的畸變因數明顯小于固定參數電感。

（3）電感變化前后輸入電流的快速響應分析。

對a相輸入電流求導后列出部分過零點電流導數數據如表1所示。

由表中數據可見，電感參數可調后電流的快速跟蹤性能得到了改善。

使用PSCAD軟件，建立了基于同步旋轉坐標系下的直接電流控制方法和雙閉環控制結構的電壓型PWM整流器的仿真模型。提出了利用數控電感替代傳統的電感線圈，使得電感可在線調整來改善電流環的動、靜態響應。仿真結果表明，采用新元件后，既可以較好地實現電流過零點的快速跟蹤，又可以達到抑制電流峰值點時諧波電流的目的，在改善電能質量方面具有一定的實用價值。

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