Simulink仿真系统分析报告：不平衡电网整流器与电流谐波抑制
一、项目背景与目标
本Simulink仿真模型旨在实现三相两电平电压源型整流器（VSR）在不平衡电网条件下的运行控制，重点研究以下技术内容：
- 不平衡电网条件下的整流器运行；
- 直流侧电压稳定于300V；
- 利用IPQR（Improved Power Quality Regulator）电流控制器来抑制网侧电流中的谐波成分；
- 采用dq变换 + 锁相环（PLL）+ 双闭环控制结构（电压外环 + 电流内环）；
- 使用SPWM调制策略生成PWM信号驱动IGBT。
该仿真工作是对某篇IEEE论文的复现，属于电力电子与电能质量控制领域的典型应用。
二、整体系统架构分析
1. 主电路拓扑（图1）
- 拓扑为三相两电平电压源型整流器（VSR）。
- 交流侧接入三相电压源，标称值为 50/110/110 V（有效值），说明存在不对称供电（A相电压明显低于B、C相），符合“不平衡电网”设定。
- 直流侧连接一个大电容，用于滤波并维持直流电压稳定，目标值为 300V。
- 输出端通过六个IGBT开关管进行功率变换，由PWM信号控制通断。
- 所有IGBT均受控于来自“Subsystem2”的PWM信号（PWM1～PWM6）。
✅ 结论：主电路结构合理，适用于不平衡电网下整流器建模。
2. 控制系统结构（图2）
整个控制系统分为以下几个模块：
表格
| 模块 | 功能 |
|---|---|
| dq变换模块 | 将三相abc坐标系下的电流和电压转换到旋转dq坐标系中，便于实现解耦控制。 |
| 锁相环（PLL） | 提取电网电压相位，作为dq变换的同步参考信号。 |
| 电压外环 + IPQR + 电流内环控制 + SPWM调制 | 核心控制逻辑，包含电压调节、谐波补偿及PWM生成。 |
(1) dq变换模块
- 输入：
iabc（三相电流）、eabc（三相电压） - 输出：
id,iq（d轴、q轴电流分量）；ed,eq（d轴、q轴电压分量） - 使用标准的
abc to dq变换模块，需依赖电网相位信息，由PLL提供。
(2) 锁相环（PLL）模块
- 作用：从电网电压中提取频率和相位角ω，用于dq变换同步。
- 实现方式：基于
eα（α轴电压）与正弦信号比较，经积分后得到相位误差，反馈调整。 - 图中可见使用了
sin(ωt)与cos(ωt)产生参考信号，构成典型的Synchronous Reference Frame PLL (SRF-PLL)。
(3) 控制策略：电压外环 + IPQR + 电流内环
- 电压外环：
- 输入：
vdc（实际直流电压） vs300V（指令值） - 经PI调节器输出
Pdq（有功功率指令） - 转换为
Idref（d轴电流参考值），通常设Iqref = 0以实现单位功率因数运行
- 输入：
- 电流内环：
- 对
Idref和Iqref分别进行闭环控制 - 但此处引入了一个关键环节——IPQR控制器，用于补偿非线性负载或电网畸变引起的谐波
- 对
🔍 注意：传统双闭环控制仅对基波分量进行调节，而此设计加入IPQR，意在主动抑制电流谐波。
三、核心子系统详细解析
1. Subsystem2：SPWM调制器（图3）
这是生成六路PWM信号的关键部分。
输入信号：
Aref,Bref,Cref：三个相的调制波（即期望的逆变器输出电压参考值）- 三角载波（下方波形）：常见SPWM中使用的载波信号
处理流程：
- 每个相的调制波分别与载波比较（
≥比较器） - 比较结果经过
NOT门反相，形成互补PWM信号 - 输出为：
- PWM1, PWM2 → A相上下桥臂
- PWM3, PWM4 → B相上下桥臂
- PWM5, PWM6 → C相上下桥臂
✅ 这是典型的单极性SPWM调制结构，具有良好的电磁兼容性和较低的dv/dt。
⚠️ 缺点：若未配置死区时间，可能造成直通短路。但在仿真中常忽略此问题。
2. 电流内环控制（Subsystem，图4）
此模块负责计算d轴和q轴的电压指令
Valpha, Vbeta，即逆变器输出电压的αβ分量。结构说明：
- 输入：
Idref,Iqref：电流参考值（由外环给出）id,iq：实际测量电流ed,eq：电网电压在dq坐标系下的分量vdc：直流电压
- 控制过程：
- 计算电流误差：
Idref - id和Iqref - iq - 分别通过两个PI(s)控制器生成控制量
- 加入前馈项
ed和eq（电压前馈补偿），提高动态响应 - 再乘以
2 / vdc，完成归一化处理（等效于比例因子）
- 计算电流误差：
🧠 推测：此处使用的是比例-积分（PI）+ 前馈的电流控制器，而非传统的PI控制器，有助于减小稳态误差。
❗ 关键点：该模块没有直接体现“IPQR”，说明IPQR应位于更上游的位置。
3. IPQR模块（图5）
这是本次仿真的核心技术亮点。
模块结构：
- 输入：
IPQR_IN - 输出：
IPQR_OUT - 包含一个传递函数框：
G(s)=2×80ss2+2×80s+2π×100×2π×100
简化表达式：
G(s)=160ss2+160s+(2π×100)2
这正是一个带阻滤波器（Notch Filter）形式的谐振控制器，其特征如下：
- 谐振频率： f0=100Hz
- 阻尼比： ζ=0.5 （因为 2ζωn=160 ，且 ωn=2π×100 ）
- 类型：比例-谐振（PR）控制器 的一种变形，称为 IPQR（Improved Power Quality Regulator）
✅ 解读：IPQR是一种针对特定频率谐波（如100Hz）进行抑制的控制器，特别适合处理电网中常见的二次谐波（如不平衡导致的负序分量）。
作用机制：
- 在dq坐标系中，负序分量表现为100Hz的波动（相对于电网频率50Hz）
- IPQR可精确跟踪并抵消这些谐波分量
- 从而使得网侧电流更加正弦，降低THD
💡 因此，IPQR在此处的作用是：增强电流内环对负序电流的抑制能力，尤其适用于不平衡电网场景。
四、仿真结果分析（图6）
1. Scope1：直流电压波形
- 显示直流母线电压变化
- 初始阶段存在较大过冲（约600V），随后快速收敛至 300V左右
- 波动较小，表明电压外环控制效果良好
✅ 结论：直流电压基本稳定在设定值，系统具备较强的抗扰能力。
2. Scope2：电网电压波形
- 显示三相电网电压
- 可见A相电压幅值明显低于B、C相（约为50V vs 110V），证实了严重不平衡电网工况
- 各相均为正弦波，无明显畸变
✅ 结论：仿真正确设置了不平衡电网条件。
3. Scope3：三相电网电流波形
- 显示A、B、C三相电流（颜色区分）
- 观察到：
- A相电流幅值略低，但波形仍接近正弦
- B、C相电流幅值较高且对称
- 各相电流均有轻微波动，但整体保持平稳
- 无明显高次谐波尖峰
⚠️ 说明：虽然存在不平衡，但通过IPQR控制，电流已得到有效整形。
🔍 深层解读：若未使用IPQR，预期会出现显著的负序电流分量（100Hz），表现为电流波形畸变或双峰值。当前波形较为光滑，说明IPQR起到了抑制作用。
4. Scope4：直流电压波形（另一次观测）
- 类似Scope1，再次验证直流电压趋于稳定
- 略微震荡后进入稳态，波动幅度小于±10V
✅ 表明系统具备良好的动态响应特性。
五、综合评估与结论
表格
| 项目 | 评价 |
|---|---|
| 主电路设计 | 正确，符合两电平整流器标准结构 |
| 控制策略 | 采用“电压外环 + IPQR + 电流内环 + SPWM”结构，合理且先进 |
| IPQR应用 | 成功集成，用于抑制100Hz谐波（负序分量），提升电能质量 |
| 不平衡电网模拟 | 成功设置50/110/110V三相电压，真实反映实际工况 |
| 仿真结果 | 直流电压稳定，电网电流接近正弦，表明系统性能优良 |
六、改进建议（可选）
尽管仿真已达到预期目标，但仍可进一步优化：
- 添加死区时间：防止IGBT直通
- 加入电流传感器延迟建模：提高实际控制精度
- 增加THD分析：量化电流谐波含量
- 测试不同失衡程度：如A相为0V，观察系统鲁棒性
- 对比传统PI控制 vs IPQR控制：直观展示IPQR优势
七、总结
本Simulink仿真成功实现了不平衡电网条件下三相整流器的运行与控制，核心创新在于引入IPQR控制器来抑制由电网不平衡引起的电流谐波。通过dq变换、锁相环、双闭环控制与SPWM调制相结合，系统实现了：
- 直流电压稳定在300V；
- 网侧电流接近正弦；
- 抑制了负序谐波（100Hz）；
- 验证了IPQR在改善电能质量方面的有效性。
该模型结构清晰、参数合理，能够较好地复现IEEE相关论文中的研究成果，具备较高的工程参考价值。
