基于Matlab/Simulink的变频系统仿真

0 引言
  　　节能减排对于保护环境和国民经济的可持续发展有着巨大作用，己得到世界各国政府和人民的重视，为节省工业用户中使用电动机时消耗的大量的电能，交流变频器调速用得愈来愈多，特别是在风机，泵类的调速中。
                        
　　不仅如此，在一些可再生能源的装置中也要大量采用变频装置。例如在风力发电利用永磁发电机发电的直驱发电系统中，其产生的低频电压须经变频后向工频电网送电；又如风力发电中目前广泛采用双馈感应发电机（DFIG），允许转子异步运行，但又要和电网联接，稳定运行，这时必须要向转子输入滑差频率的电流，因滑差可正可负，要求变频器既能送出电能到转子，又能将转子能量反馈到电网。
                        
　　众所周知，变频器最主要的部件是逆变器，早期的逆变器，比如三相桥式逆变器常采用6脉冲运行方式，其输出电压为方波或阶梯波，谐波含量很大。
                        
　　近年来，随着开关频率允许很高的全控型电力电子器件，如IGBT，GTR，IGCT等的问世，逆变器的控制大多被脉宽调制PWM代替，其中以正弦波脉宽调制SPWM 用得最多。PWM的优点是可以同时完成调频、调压的任务，使输出电压中谐波含量极大地减少，此外由于开关频率高，所以有利于快速电流控制。在设计和研究变频器时，最方便的方法，无疑是利用仿真工具，应该说经过近三十年发展起来的MATHWORKS公司的Matlab软件，特别是它提供的Simulink仿真工具，应是最佳选择之一，它是功能十分强大而齐全的仿真软件，有许多工具箱，用户可以从工具箱中取出所需的元器件，通过联接等操作，建立与实物相对应的数学模型，从而对它进行测试，所得仿真结果可供设计研究参考。
                        
　　在Simulink（7.04）工具箱中有电力系统SimPowerSystem的工具箱，为变频器仿真提供了几乎所需的全部元器件，所以使用它们很容易进行仿真。文献[1]是这类仿真的一个范例，它对一个双PWM 交-直- 交逆变系统进行了仿真，即将1 000 Hz，500 V的三相交流电压转换为50 Hz，400V的三相交流电压，仿真时全部应用工具箱内的元器件，包括PWM发生器。
                        
　　应该指出在实际变频器的应用中，要求变频器输出的不是某个固定频率，而是频率、幅值能变化的输出电压。例如双馈感应发电机（DFIG）转子侧的变频系统，随着风速及转子转速的变化，向转子侧供电的电流的大小和滑差频率也都要相应变化，这样从工具箱中取出的、具有固定输出频率和恒定电压的SPWM发生器就不能胜任，必须要由外部控制的SPWM发生器来实现，本文采用设计的PWM 发生器的外控单元，来实现变频器可变的输出电压频率和幅值的实时仿真。
                        
1 交-直-交变频器的结构类型
                       
　　图1为典型的交-直-交变频器原理图，主要由整流器Rectifier（可控或不可控），及直流侧电容器C，电压源逆变器VSI，以及用于控制的PWM发生器组成。实际中还可能有输入、输出侧滤波器（图1中未画出），此外图1上还表示出了三相电源及负荷电动机，这是一种比较典型的用法。
   
   
                        
　　图2 表示了风力发电DFIG 用的向转子供电的变频系统原理图，除了电网（Ac Power Grid）和DFIG外，它主要由电网侧逆变器（Inverter on Grid Side）和转子侧逆变器（Inverter on Rotor Side）及各自连接的PWM发生器，和直流侧电容器C组成。当转子速度小于定子磁场的同步转速时，网侧逆变器工作于整流状态，转子侧逆变器工作于逆变状态，反之，当转子速度大于同步转速时，转子侧逆变器工作于整流状态，网侧逆变器工作于逆变状态，这种变频器工作时能量是双向流动的。因此图1类型的变频器己不适用。为维持直流电压稳定，通常给两台逆变器直流侧并接电容器C，构成电压源逆变器，图2中还备有滤波器（Filter），以保证进入转子电流波形为正弦波。
                        
　　对向DFIG转子供电的变频器的要求是，所供电流的频率和幅值都是可变和可控的。
   
   0 引言
                       
　　节能减排对于保护环境和国民经济的可持续发展有着巨大作用，己得到世界各国政府和人民的重视，为节省工业用户中使用电动机时消耗的大量的电能，交流变频器调速用得愈来愈多，特别是在风机，泵类的调速中。
                        
　　不仅如此，在一些可再生能源的装置中也要大量采用变频装置。例如在风力发电利用永磁发电机发电的直驱发电系统中，其产生的低频电压须经变频后向工频电网送电；又如风力发电中目前广泛采用双馈感应发电机（DFIG），允许转子异步运行，但又要和电网联接，稳定运行，这时必须要向转子输入滑差频率的电流，因滑差可正可负，要求变频器既能送出电能到转子，又能将转子能量反馈到电网。
                        
　　众所周知，变频器最主要的部件是逆变器，早期的逆变器，比如三相桥式逆变器常采用6脉冲运行方式，其输出电压为方波或阶梯波，谐波含量很大。
                        
　　近年来，随着开关频率允许很高的全控型电力电子器件，如IGBT，GTR，IGCT等的问世，逆变器的控制大多被脉宽调制PWM代替，其中以正弦波脉宽调制SPWM 用得最多。PWM的优点是可以同时完成调频、调压的任务，使输出电压中谐波含量极大地减少，此外由于开关频率高，所以有利于快速电流控制。在设计和研究变频器时，最方便的方法，无疑是利用仿真工具，应该说经过近三十年发展起来的MATHWORKS公司的Matlab软件，特别是它提供的Simulink仿真工具，应是最佳选择之一，它是功能十分强大而齐全的仿真软件，有许多工具箱，用户可以从工具箱中取出所需的元器件，通过联接等操作，建立与实物相对应的数学模型，从而对它进行测试，所得仿真结果可供设计研究参考。
                        
　　在Simulink（7.04）工具箱中有电力系统SimPowerSystem的工具箱，为变频器仿真提供了几乎所需的全部元器件，所以使用它们很容易进行仿真。文献[1]是这类仿真的一个范例，它对一个双PWM 交-直- 交逆变系统进行了仿真，即将1 000 Hz，500 V的三相交流电压转换为50 Hz，400V的三相交流电压，仿真时全部应用工具箱内的元器件，包括PWM发生器。
                        
　　应该指出在实际变频器的应用中，要求变频器输出的不是某个固定频率，而是频率、幅值能变化的输出电压。例如双馈感应发电机（DFIG）转子侧的变频系统，随着风速及转子转速的变化，向转子侧供电的电流的大小和滑差频率也都要相应变化，这样从工具箱中取出的、具有固定输出频率和恒定电压的SPWM发生器就不能胜任，必须要由外部控制的SPWM发生器来实现，本文采用设计的PWM 发生器的外控单元，来实现变频器可变的输出电压频率和幅值的实时仿真。
                        
1 交-直-交变频器的结构类型
                       
　　图1为典型的交-直-交变频器原理图，主要由整流器Rectifier（可控或不可控），及直流侧电容器C，电压源逆变器VSI，以及用于控制的PWM发生器组成。实际中还可能有输入、输出侧滤波器（图1中未画出），此外图1上还表示出了三相电源及负荷电动机，这是一种比较典型的用法。
   
   
                        
　　图2 表示了风力发电DFIG 用的向转子供电的变频系统原理图，除了电网（Ac Power Grid）和DFIG外，它主要由电网侧逆变器（Inverter on Grid Side）和转子侧逆变器（Inverter on Rotor Side）及各自连接的PWM发生器，和直流侧电容器C组成。当转子速度小于定子磁场的同步转速时，网侧逆变器工作于整流状态，转子侧逆变器工作于逆变状态，反之，当转子速度大于同步转速时，转子侧逆变器工作于整流状态，网侧逆变器工作于逆变状态，这种变频器工作时能量是双向流动的。因此图1类型的变频器己不适用。为维持直流电压稳定，通常给两台逆变器直流侧并接电容器C，构成电压源逆变器，图2中还备有滤波器（Filter），以保证进入转子电流波形为正弦波。
                        
　　对向DFIG转子供电的变频器的要求是，所供电流的频率和幅值都是可变和可控的。
   
   2 变频器仿真用结构图
                       
　　图3为输出电压频率、幅值可变的变频器仿真用结构图，它代表PWM 控制的三相交-直-交变频系统。系统输入为三相50Hz的工频电源，经采用SPWM 整流器Universal Bridge1的整流，输出直流电压经电容器滤波，再进入可以外控电压频率和幅值的三相SPWM 逆变器Universal Bridge，逆变成交流，再经由L 和C1组成的滤波器滤波后，接到三相阻性负荷Load上。
   
   
                        
　　此外还接有测量进线电流和负荷电压总畸变率THD的仪表，以及测量各点电气量波形的仪表、示波器Scope等。应该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 发生器PWMGeneration存在着两种工作方式，即内部设定式和外部控制式。
                        
　　内部设定式在运行前需要设置：
                        
　　1）工作模式，如单臂，双臂和3 臂桥式等；
                        
　　2）载波频率fc；
                        
　　3）调制系数m；
                        
　　4）输出电压频率；
                        
　　5）输出电压初相角。
                        
　　可看出这时输出电压频率、电压的大小（调制系数m）一定，无法在模型仿真过程中改变。在外部控制式下，需设置的是内部设定式的前两项，而输出电压频率f和调制系数m 都允许外控。
                        
　　图4为本文中提出的针对3 臂6
   
   
                        
　　脉冲逆变器的外控子模块（A）和其展开图（B）。由此可看出输出电压频率f和调制系数m是可控的。输出电压初相角，在运行过程中不能也不需调节，在这里3个初相角可由3个正弦波发生器事先设置好。将外控子模块输出Out1，接到设置为External的PWM发生器的输入端子，便可实现变频器在运行中实时控制输出电压频率和幅值变化的仿真。
   3 仿真实例
                       
　　本仿真例中假定进线电源为三相50Hz，相电压幅值500V，左侧PWM发生器其载波频率为1000Hz，调系数m=0.8，直流侧滤波电容C=1.5F，逆变器（Universal Bridge）输出侧滤波电感L=3×2 mH，当输入线电压在400V（有效值），50 Hz下，滤波电容器无功功率Qc=3 kvar。在线电压400 V（有效值）50Hz下，负荷Load有功功率为50 kW。
                        
　　仿真是在变频器带负荷的状态下，分以下两种情况进行的：
                        
　　1）变频器输出频率在35 Hz 下，由外控突然变到15 Hz，调制系数m不变；
                        
　　2）变频器输出频率保持在45 Hz，调制系数m=0.4由外控突然变到m=0.8。
   
                        
　　图5 为变频器输入侧三相PWM
   
   
   
                       
　　整流器电气量波形，图5（a）为三相电网电压，图5（b）为三相输入电流，图5（c）为直流侧电容器C上的直流电压，图5（d）为A相输入电流的总畸变率，由于采用了SPWM，其THD仅稍> 1%。应该指出，这些波形在上面提到的两种情况下是不变的。
   
   
   
   
   
   
   
   
   　　图6为变频器输出频率在35 Hz 下，突然由外控变到15Hz，调制系数m不变时的仿真结果。图6（a）为外控输入信号，图6（b）为逆变器输出三电平交流A，B相线电压，图6（c）为经过滤波后的a，b，c三相相电压，图6（d）为滤波后a，b相线电压及三相负荷电流，图6（e）为负荷电流的总畸率THD，当频率在35 Hz 时，THD<2%，当频率降到15 Hz时迅速升高到9%。
   
                        
　　注意在仿真中t=0.05 s瞬间，频率有突变。
                        
　　图7 为变频器输出电压在45 Hz 下，PWM 发生器的调制系数由m=0.4突变到0.8时的仿真结果。
                        
　　图7（a）是PWM 发生器的外控信号，图7（b）为逆变器输出的线电压A，B相间的三电平方波，这里看不出m
变化的结果，实际上m 变化前后，方波的疏密程度有变化，只是这里看不清。图7（c）是经滤波后输出到负荷的a，b，c相电压，图7（d）是三相负荷电流ia，ib，ic及滤波后的负荷线电压Uab。图7（e）为负荷电流的总畸变率THD，<1.5%。
                        
4 结语
                       
　　采用本文中提出的PWM发生器的外控单元，对有变频和变幅值要求的交-直-交电压源变频器的仿真是完全成功的，特别是对风力发电DFIG的向转子供滑差频率的变频器仿真，特别有用。在整个仿真过程中只是用了Simulink的Sim Power Systems 工具库中的元器件，无须编程，分析、计算，十分方便。
   参考文献：
                           
　　[1] 姚兴佳等. 基于Matlab/Simulink 的双PWM 逆变系统的仿真[J]. 电气技术，2007，（12）:20-23.
                        
　　[2] 吴天明，谢小竹，彭彬. MATLAB 电力系统设计与分析[M]. 北京：国防工业出版社，2004.