0 引言
節(jié)能減排對于保護環(huán)境和國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有著巨大作用，己得到世界各國政府和人民的重視，為節(jié)省工業(yè)用戶中使用電動機時消耗的大量的電能，交流變頻器" title="變頻器">變頻器調(diào)速用得愈來愈多，特別是在風機，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。例如在風力發(fā)電利用永磁發(fā)電機發(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；又如風力發(fā)電中目前廣泛采用雙饋感應發(fā)電機（DFIG），允許轉(zhuǎn)子異步運行，但又要和電網(wǎng)聯(lián)接，穩(wěn)定運行，這時必須要向轉(zhuǎn)子輸入滑差頻率的電流，因滑差可正可負，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 用得最多。PWM的優(yōu)點是可以同時完成調(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(jīng)過近三十年發(fā)展起來的MATHWORKS公司的Matlab" title="Matlab">Matlab軟件，特別是它提供的Simulink" title="Simulink">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(lián)接等操作，建立與實物相對應的數(shù)學模型，從而對它進行測試，所得仿真結(jié)果可供設(shè)計研究參考。
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(tǒng)進行了仿真，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，仿真時全部應用工具箱內(nèi)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(zhuǎn)子側(cè)的變頻系統(tǒng)，隨著風速及轉(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(xiàn)，本文采用設(shè)計的PWM 發(fā)生器的外控單元，來實現(xiàn)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(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(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。當轉(zhuǎn)子速度小于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速時，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，當轉(zhuǎn)子速度大于同步轉(zhuǎn)速時，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(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），以保證進入轉(zhuǎn)子電流波形為正弦波。
對向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)能減排對于保護環(huán)境和國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展有著巨大作用，己得到世界各國政府和人民的重視，為節(jié)省工業(yè)用戶中使用電動機時消耗的大量的電能，交流變頻器調(diào)速用得愈來愈多，特別是在風機，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。例如在風力發(fā)電利用永磁發(fā)電機發(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；又如風力發(fā)電中目前廣泛采用雙饋感應發(fā)電機（DFIG），允許轉(zhuǎn)子異步運行，但又要和電網(wǎng)聯(lián)接，穩(wěn)定運行，這時必須要向轉(zhuǎn)子輸入滑差頻率的電流，因滑差可正可負，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 用得最多。PWM的優(yōu)點是可以同時完成調(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(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(lián)接等操作，建立與實物相對應的數(shù)學模型，從而對它進行測試，所得仿真結(jié)果可供設(shè)計研究參考。
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(tǒng)進行了仿真，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，仿真時全部應用工具箱內(nèi)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(zhuǎn)子側(cè)的變頻系統(tǒng)，隨著風速及轉(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(xiàn)，本文采用設(shè)計的PWM 發(fā)生器的外控單元，來實現(xiàn)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(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(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。當轉(zhuǎn)子速度小于定子磁場的同步轉(zhuǎn)速時，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，當轉(zhuǎn)子速度大于同步轉(zhuǎn)速時，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(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），以保證進入轉(zhuǎn)子電流波形為正弦波。
對向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50Hz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(nèi)部設(shè)定式和外部控制式。
內(nèi)部設(shè)定式在運行前需要設(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。
可看出這時輸出電壓頻率、電壓的大?。ㄕ{(diào)制系數(shù)m）一定，無法在模型仿真過程中改變。在外部控制式下，需設(shè)置的是內(nèi)部設(shè)定式的前兩項，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，在運行過程中不能也不需調(diào)節(jié)，在這里3個初相角可由3個正弦波發(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，便可實現(xiàn)變頻器在運行中實時控制輸出電壓頻率和幅值變化的仿真。
3 仿真實例
本仿真例中假定進線電源為三相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=1.5F，逆變器（Universal Bridge）輸出側(cè)濾波電感L=3×2 mH，當輸入線電壓在400V（有效值），50 Hz下，濾波電容器無功功率Qc=3 kvar。在線電壓400 V（有效值）50Hz下，負荷Load有功功率為50 kW。
仿真是在變頻器帶負荷的狀態(tài)下，分以下兩種情況進行的：
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%。應該指出，這些波形在上面提到的兩種情況下是不變的。
圖6為變頻器輸出頻率在35 Hz 下，突然由外控變到15Hz，調(diào)制系數(shù)m不變時的仿真結(jié)果。圖6（a）為外控輸入信號，圖6（b）為逆變器輸出三電平交流A，B相線電壓，圖6（c）為經(jīng)過濾波后的a，b，c三相相電壓，圖6（d）為濾波后a，b相線電壓及三相負荷電流，圖6（e）為負荷電流的總畸率THD，當頻率在35 Hz 時，THD<2%，當頻率降到15 Hz時迅速升高到9%。
注意在仿真中t=0.05 s瞬間，頻率有突變。
圖7 為變頻器輸出電壓在45 Hz 下，PWM 發(fā)生器的調(diào)制系數(shù)由m=0.4突變到0.8時的仿真結(jié)果。
圖7（a）是PWM 發(fā)生器的外控信號，圖7（b）為逆變器輸出的線電壓A，B相間的三電平方波，這里看不出m
變化的結(jié)果，實際上m 變化前后，方波的疏密程度有變化，只是這里看不清。圖7（c）是經(jīng)濾波后輸出到負荷的a，b，c相電壓，圖7（d）是三相負荷電流ia，ib，ic及濾波后的負荷線電壓Uab。圖7（e）為負荷電流的總畸變率THD，<1.5%。
4 結(jié)語
采用本文中提出的PWM發(fā)生器的外控單元，對有變頻和變幅值要求的交-直-交電壓源變頻器的仿真是完全成功的，特別是對風力發(fā)電DFIG的向轉(zhuǎn)子供滑差頻率的變頻器仿真，特別有用。在整個仿真過程中只是用了Simulink的Sim Power Systems 工具庫中的元器件，無須編程，分析、計算，十分方便。
參考文獻：
[1] 姚興佳等. 基于Matlab/Simulink 的雙PWM 逆變系統(tǒng)的仿真[J]. 電氣技術(shù)，2007，（12）:20-23.
[2] 吳天明，謝小竹，彭彬. MATLAB 電力系統(tǒng)設(shè)計與分析[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，2004.