PWM實現(xiàn)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(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(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(yīng)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(yīng)用工具箱內(nèi)的元器件，包括PWM發(fā)生器。

　　應(yīng)該指出在實際變頻器的應(yīng)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(yīng)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(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(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、電壓的大小(調(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