基于Matlab/Simulink的變頻系統(tǒng)仿真

0 引言

節(jié)能減排對(duì)于保護(hù)環(huán)境和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有著巨大作用，己得到世界各國(guó)政府和人民的重視，為節(jié)省工業(yè)用戶中使用電動(dòng)機(jī)時(shí)消耗的大量的電能，交流變頻器調(diào)速用得愈來(lái)愈多，特別是在風(fēng)機(jī)，泵類的調(diào)速中。

不僅如此，在一些可再生能源的裝置中也要大量采用變頻裝置。例如在風(fēng)力發(fā)電利用永磁發(fā)電機(jī)發(fā)電的直驅(qū)發(fā)電系統(tǒng)中，其產(chǎn)生的低頻電壓須經(jīng)變頻后向工頻電網(wǎng)送電;又如風(fēng)力發(fā)電中目前廣泛采用雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)，允許轉(zhuǎn)子異步運(yùn)行，但又要和電網(wǎng)聯(lián)接，穩(wěn)定運(yùn)行，這時(shí)必須要向轉(zhuǎn)子輸入滑差頻率的電流，因滑差可正可負(fù)，要求變頻器既能送出電能到轉(zhuǎn)子，又能將轉(zhuǎn)子能量反饋到電網(wǎng)。

眾所周知，變頻器最主要的部件是逆變器，早期的逆變器，比如三相橋式逆變器常采用6脈沖運(yùn)行方式，其輸出電壓為方波或階梯波，諧波含量很大。

近年來(lái)，隨著開關(guān)頻率允許很高的全控型電力電子器件，如IGBT，GTR，IGCT 等的問(wèn)世，逆變器的控制大多被脈寬調(diào)制PWM代替，其中以正弦波脈寬調(diào)制

SPWM 用得最多。PWM 的優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)完成調(diào)頻、調(diào)壓的任務(wù)，使輸出電壓中諧波含量極大地減少，此外由于開關(guān)頻率高，所以有利于快速電流控制。在設(shè)計(jì)和研究變頻器時(shí)，最方便的方法，無(wú)疑是利用仿真工具，應(yīng)該說(shuō)經(jīng)過(guò)近三十年發(fā)展起來(lái)的MATHWORKS公司的Matlab軟件，特別是它提供的Simulink仿真工具，應(yīng)是最佳選擇之一，它是功能十分強(qiáng)大而齊全的仿真軟件，有許多工具箱，用戶可以從工具箱中取出所需的元器件，通過(guò)聯(lián)接等操作，建立與實(shí)物相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，從而對(duì)它進(jìn)行測(cè)試，所得仿真結(jié)果可供設(shè)計(jì)研究參考。

在Simulink(7.04)工具箱中有電力系統(tǒng)SimPower System的工具箱，為變頻器仿真提供了幾乎所需的全部元器件，所以使用它們很容易進(jìn)行仿真。文獻(xiàn)[1]是這類仿真的一個(gè)范例，它對(duì)一個(gè)雙PWM 交-直- 交逆變系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，即將1 000 Hz，500 V的三相交流電壓轉(zhuǎn)換為50 Hz，400 V的三相交流電壓，仿真時(shí)全部應(yīng)用工具箱內(nèi)的元器件，包括PWM發(fā)生器。

應(yīng)該指出在實(shí)際變頻器的應(yīng)用中，要求變頻器輸出的不是某個(gè)固定頻率，而是頻率、幅值能變化的輸出電壓。例如雙饋感應(yīng)發(fā)電機(jī)(DFIG)轉(zhuǎn)子側(cè)的變頻系統(tǒng)，隨著風(fēng)速及轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的變化，向轉(zhuǎn)子側(cè)供電的電流的大小和滑差頻率也都要相應(yīng)變化，這樣從工具箱中取出的、具有固定輸出頻率和恒定電壓的SPWM 發(fā)生器就不能勝任，必須要由外部控制的SPWM發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)，本文采用設(shè)計(jì)的PWM 發(fā)生器的外控單元，來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻器可變的輸出電壓頻率和幅值的實(shí)時(shí)仿真。

1 交-直-交變頻器的結(jié)構(gòu)類型

圖1為典型的交- 直-交變頻器原理圖，主要由整流器Rectifier(可控或不可控)，及直流側(cè)電容器C，電壓源逆變器VSI，以及用于控制的PWM發(fā)生器組成。實(shí)際中還可能有輸入、輸出側(cè)濾波器(圖1 中未畫出)，此外圖1上還表示出了三相電源及負(fù)荷電動(dòng)機(jī)，這是一種比較典型的用法。

圖2 表示了風(fēng)力發(fā)電DFIG 用的向轉(zhuǎn)子供電的變頻系統(tǒng)原理圖，除了電網(wǎng)(Ac Power Grid)和DFIG外，它主要由電網(wǎng)側(cè)逆變器(Inverter on Grid Side)和轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器(Inverter on Rotor Side)及各自連接的PWM發(fā)生器，和直流側(cè)電容器C組成。當(dāng)轉(zhuǎn)子速度小于定子磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速時(shí)，網(wǎng)側(cè)逆變器工作于整流狀態(tài)，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器工作于逆變狀態(tài)，反之，當(dāng)轉(zhuǎn)子速度大于同步轉(zhuǎn)速時(shí)，轉(zhuǎn)子側(cè)逆變器工作于整流狀態(tài)，網(wǎng)側(cè)逆變器工作于逆變狀態(tài)，這種變頻器工作時(shí)能量是雙向流動(dòng)的。因此圖1 類型的變頻器己不適用。為維持直流電壓穩(wěn)定，通常給兩臺(tái)逆變器直流側(cè)并接電容器C，構(gòu)成電壓源逆變器，圖2中還備有濾波器(Filter)，以保證進(jìn)入轉(zhuǎn)子電流波形為正弦波。

對(duì)向DFIG轉(zhuǎn)子供電的變頻器的要求是，所供電流的頻率和幅值都是可變和可控的。

2 變頻器仿真用結(jié)構(gòu)圖

圖3為輸出電壓頻率、幅值可變的變頻器仿真用結(jié)構(gòu)圖，它代表PWM 控制的三相交-直-交變頻系統(tǒng)。系統(tǒng)輸入為三相50 Hz的工頻電源，經(jīng)采用SPWM 整流器Universal Bridge1 的整流，輸出直流電壓經(jīng)電容器濾波，再進(jìn)入可以外控電壓頻率和幅值的三相SPWM 逆變器Universal Bridge，逆變成交流，再經(jīng)由L 和C1組成的濾波器濾波后，接到三相阻性負(fù)荷Load上。

此外還接有測(cè)量進(jìn)線電流和負(fù)荷電壓總畸變率THD的儀表，以及測(cè)量各點(diǎn)電氣量波形的儀表、示波器Scope等。應(yīng)該指出的是上述仿真用元器件均取自Simulink的SimPower Systems工具箱。

在Sim Power Systems 工具箱中取出的PWM 發(fā)生器PWMGeneration存在著兩種工作方式，即內(nèi)部設(shè)定式和外部控制式。

內(nèi)部設(shè)定式在運(yùn)行前需要設(shè)置：

1)工作模式，如單臂，雙臂和3 臂橋式等;

2)載波頻率fc;

3)調(diào)制系數(shù)m;

4)輸出電壓頻率;

5)輸出電壓初相角。

可看出這時(shí)輸出電壓頻率、電壓的大小(調(diào)制系數(shù)m)一定，無(wú)法在模型仿真過(guò)程中改變。在外部控制式下，需設(shè)置的是內(nèi)部設(shè)定式的前兩項(xiàng)，而輸出電壓頻率f和調(diào)制系數(shù)m 都允許外控。

圖4為本文中提出的針對(duì)3 臂6 脈沖逆變器的外控子模塊(A)和其展開圖(B)。由此可看出輸出電壓頻率f和調(diào)制系數(shù)m是可控的。輸出電壓初相角，在運(yùn)行過(guò)程中不能也不需調(diào)節(jié)，在這里3個(gè)初相角可由3個(gè)正弦波發(fā)生器事先設(shè)置好。將外控子模塊輸出Out1，接到設(shè)置為External的PWM發(fā)生器的輸入端子，便可實(shí)現(xiàn)變頻器在運(yùn)行中實(shí)時(shí)控制輸出電壓頻率和幅值變化的仿真。

3 仿真實(shí)例

本仿真例中假定進(jìn)線電源為三相50Hz，相電壓幅值500V，左側(cè)PWM發(fā)生器其載波頻率為1000Hz，調(diào)系數(shù)m=0.8，直流側(cè)濾波電容C=1.5 F，逆變器(Universal Bridge)輸出側(cè)濾波電感L=3×2 mH，當(dāng)輸入線電壓在400 V(有效值)，50 Hz下，濾波電容器無(wú)功功率Qc=3 kvar。在線電壓400 V(有效值)50 Hz下，負(fù)荷Load有功功率為50 kW。

仿真是在變頻器帶負(fù)荷的狀態(tài)下，分以下兩種情況進(jìn)行的：

1)變頻器輸出頻率在35 Hz 下，由外控突然變到15 Hz，調(diào)制系數(shù)m不變;

2)變頻器輸出頻率保持在45 Hz，調(diào)制系數(shù)m=0.4由外控突然變到m=0.8。

圖5 為變頻器輸入側(cè)三相PWM 整流器電氣量波形，圖5(a)為三相電網(wǎng)電壓，圖5(b)為三相輸入電流，圖5(c)為直流側(cè)電容器C上的直流電壓，圖5(d)為A 相輸入電流的總畸變率，由于采用了SPWM，其THD僅稍> 1 %。應(yīng)該指出，這些波形在上面提到的兩種情況下是不變的。

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