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基于Matlab-Simulink的变频系统仿真

未知 2019-10-13 15:13

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=32 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,THD2%,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.

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