變頻器電壓頻率和幅值的實時仿真

引言

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制PWM代替，其中以正弦波脈寬調制SPWM 用得最多。PWM的優(yōu)點是可以同時完成調頻、調壓的任務，使輸出電壓中諧波含量極大地減少，此外由于開關頻率高，所以有利于快速電流控制。在設計和研究變頻器時，最方便的方法，無疑是利用仿真工具，應該說經過近三十年發(fā)展起來的MATHWORKS公司的Matlab軟件，特別是它提供的Simulink仿真工具，應是最佳選擇之一，它是功能十分強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，通過聯接等操作，建立與實物相對應的數學模型，從而對它進行測試，所得仿真結果可供設計研究參考。

在Simulink(7.04)工具箱中有電力系統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行仿真。文獻[1]是這類仿真的一個范例，它對一個雙PWM 交-直- 交逆變系統進行了仿真，即將1 000 Hz，500 V的三相交流電壓轉換為50 Hz，400V的三相交流電壓，仿真時全部應用工具箱內的元器件，包括PWM發(fā)生器。

應該指出在實際變頻器的應用中，要求變頻器輸出的不是某個固定頻率，而是頻率、幅值能變化的輸出電壓。例如雙饋感應發(fā)電機(DFIG)轉子側的變頻系統，隨著風速及轉子轉速的變化，向轉子側供電的電流的大小和滑差頻率也都要相應變化，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)生器來實現，本文采用設計的PWM 發(fā)生器的外控單元，來實現變頻器可變的輸出電壓頻率和幅值的實時仿真。

1 交-直-交變頻器的結構類型

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。實際中還可能有輸入、輸出側濾波器(圖1中未畫出)，此外圖1上還表示出了三相電源及負荷電動機，這是一種比較典型的用法。

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

對向DFIG轉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 變頻器仿真用結構圖

圖3為輸出電壓頻率、幅值可變的變頻器仿真用結構圖，它代表PWM 控制的三相交-直-交變頻系統。系統輸入為三相50Hz的工頻電源，經采用SPWM 整流器Universal Bridge1的整流，輸出直流電壓經電容器濾波，再進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，再經由L 和C1組成的濾波器濾波后，接到三相阻性負荷Load上。

此外還接有測量進線電流和負荷電壓總畸變率THD的儀表，以及測量各點電氣量波形的儀表、示波器Scope等。應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，即內部設定式和外部控制式。