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，變頻器較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，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 用得較多。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)，較方便的方法，無疑是利用仿真工具，應(yīng)該說經(jīng)過近三十年發(fā)展起來的MATHWORKS公司的Matlab軟件，特別是它提供的Simulink仿真工具，應(yīng)是較佳選擇之一，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)SimPowerSystem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，400V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)生器來實(shí)現(xiàn)，本文采用設(shè)計(jì)的PWM 發(fā)生器的外控單元，來實(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。

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，變頻器較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，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 用得較多。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)，較方便的方法，無疑是利用仿真工具，應(yīng)該說經(jīng)過近三十年發(fā)展起來的MATHWORKS公司的Matlab軟件，特別是它提供的Simulink仿真工具，應(yīng)是較佳選擇之一，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)SimPowerSystem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，400V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)生器來實(shí)現(xiàn)，本文采用設(shè)計(jì)的PWM 發(fā)生器的外控單元，來實(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