梅 楊 孫 凱 黃 震

（1. 北方工業(yè)大學(xué)電力電子與電力傳動(dòng)北京市工程中心 北京 100144 2. 清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100084）

1 引言

近年來(lái)，采用三電平逆變器驅(qū)動(dòng)的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，包括異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，已被廣泛應(yīng)用于機(jī)車牽引、軋鋼設(shè)備、礦井提升、油氣管道、風(fēng)力發(fā)電等工業(yè)和交通領(lǐng)域，取得了良好的應(yīng)用效果和經(jīng)濟(jì)效益[1-4]。這主要是由于三電平逆變器具有輸出容量大、輸出電壓較高、諧波含量小等優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)運(yùn)行時(shí)可以通過(guò)電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)一步減小功率損耗以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)引起的軸振動(dòng)[1]。

在各類三電平逆變器拓?fù)渲?，?jīng)典的二極管中點(diǎn)鉗位式（neutral）拓?fù)湓谟布杀?、控制難度和可靠性等諸多方面具有明顯的比較優(yōu)勢(shì)，因此特別適用于驅(qū)動(dòng)高電壓、大容量的交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，且已有比較成熟的產(chǎn)品應(yīng)用，包括異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、電勵(lì)磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)等[1,2,5]。但是，對(duì)于三電平逆變器—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)者來(lái)講，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段對(duì)其中電氣特性和傳動(dòng)特性進(jìn)行精確的模擬和仿真，始終是一個(gè)非常重要但同時(shí)又具有很高難度的工作任務(wù)[4-7]。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)三電平逆變器—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真和模擬開(kāi)展了大量的研究工作，包括電路與控制環(huán)節(jié)的仿真建模、動(dòng)態(tài)負(fù)荷特性建模、半實(shí)物（硬件在環(huán)）的仿真實(shí)驗(yàn)方法以及故障狀態(tài)的分析等，取得了一定的成果[3,4,6-9]。但是，目前兩種主要的仿真模擬手段均在不同程度上存在不足：

（1）基于 Matlab/Simulink等仿真軟件實(shí)現(xiàn)的建模仿真只能在基本波形和趨勢(shì)上模擬系統(tǒng)的電氣特性和調(diào)速特性，僅能作為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的參考，既往研究中尤其缺乏對(duì)仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間模擬精度的定量分析，因而不能作為精確分析三電平逆變器—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的輔助設(shè)計(jì)工具。

（2）半實(shí)物（硬件在環(huán)）的仿真實(shí)驗(yàn)方法雖然可以更為精確地模擬調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性，但是其硬件成本和實(shí)現(xiàn)難度均比較高，不適于在三電平交流調(diào)速產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段作為輔助分析工具使用。

本文針對(duì)以往仿真建模研究中的不足，深入地分析了二極管中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)理、調(diào)制方式和控制策略，充分考慮了影響仿真模擬精度的關(guān)鍵要素，建立了完整的三電平調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，并與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。

圖1 三電平二極管中點(diǎn)鉗位型逆變器—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)Fig.1 Three-level NPC inverter fed AC motor drive system

2 三電平逆變器—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真建模精度分析

三電平逆變器—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真工作主要包括三部分內(nèi)容：①逆變器主電路的建模；②電機(jī)及負(fù)載的建模；③控制環(huán)節(jié)的建模。而考察仿真模型對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的模擬精度可以發(fā)現(xiàn)，其誤差主要來(lái)源于以下三方面：

（1）主電路中 IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程的仿真建模。在以往的三電平逆變器仿真研究中，主要是為了驗(yàn)證控制策略，因此 IGBT的模型往往被簡(jiǎn)化為理想開(kāi)關(guān)器件。但實(shí)際上 IGBT的開(kāi)通、關(guān)斷過(guò)程對(duì)三電平逆變器的輸出性能（電壓、電流諧波含量）有明顯的影響，同時(shí)逆變器輸出電壓、電流中含有的諧波成分會(huì)在交流電機(jī)中產(chǎn)生相應(yīng)的諧波轉(zhuǎn)矩，從而引起電機(jī)軸的振動(dòng)。因此，為了更加真實(shí)的反映三電平逆變器的輸出特性，需要在系統(tǒng)的仿真建模中采用較為詳細(xì)的IGBT模型。

（2）考慮死區(qū)時(shí)間設(shè)定的三電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制過(guò)程仿真建模?？臻g矢量脈寬調(diào)制是三電平逆變器的基本控制方法，逆變器的運(yùn)行過(guò)程中共涉及27個(gè)空間矢量，整個(gè)調(diào)制過(guò)程比較復(fù)雜[10,11]。而在以往的仿真研究中，對(duì)空間矢量的選擇與排列已有成熟的建模分析方法，但是死區(qū)時(shí)間的設(shè)定往往被忽略。在實(shí)際系統(tǒng)中，死區(qū)時(shí)間對(duì)三電平逆變器的輸出諧波含量有顯著的影響。因此，為了獲得高精度仿真分析模型，需要在仿真建模中設(shè)置死區(qū)時(shí)間模塊。

（3）交流電機(jī)的空載轉(zhuǎn)矩仿真建模。在交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真建模過(guò)程中，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小是可以準(zhǔn)確確定的，但實(shí)際運(yùn)行中存在的空載轉(zhuǎn)矩雖然與額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩相比絕對(duì)值和占比均不大，但在電機(jī)輕載運(yùn)行時(shí)若忽略空載轉(zhuǎn)矩仍將嚴(yán)重影響電機(jī)調(diào)速性能的計(jì)算精度。因此，在三電平逆變器—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的高精度仿真建模中，準(zhǔn)確地模擬空載轉(zhuǎn)矩的數(shù)值也是必須完成的關(guān)鍵任務(wù)之一。

3 基于Simulink的三電平逆變器—異步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精確仿真分析模型

本文所研究的三電平逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真分析模型是基于Matlab/Simulink的SimPower Systems模塊集建立的。如第 2節(jié)所述，整個(gè)系統(tǒng)仿真分析模型包括三部分：主電路模型、電機(jī)及負(fù)載模型和控制器模型。

3.1 主電路模型

本文所研究系統(tǒng)中主電路采用的是經(jīng)典的二極管中點(diǎn)鉗位型三電平拓?fù)洹榱送瓿赏暾南到y(tǒng)仿真分析，主電路模型由四部分組成（見(jiàn)圖2）：①三相可編程交流電壓源，用以模擬電網(wǎng)；②三相二極管不控整流橋，用以將三相交流電整流為直流電；③直流母線濾波電容，用以平滑直流電壓；④基于12組 IGBT開(kāi)關(guān)器件的二極管中點(diǎn)鉗位型（NPC）逆變電路。

圖2 主電路模型Fig.2 Model of the main circuit

在主電路模型中，開(kāi)關(guān)器件 IGBT的模型是最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。為了克服以往研究中采用理想開(kāi)關(guān)模型模擬 IGBT器件開(kāi)關(guān)過(guò)程帶來(lái)的偏差，本文中采用了SimPowerSystems中詳細(xì)的IGBT模型以及反并聯(lián)二極管的模型。模型中可以設(shè)定并調(diào)整的關(guān)鍵參數(shù)包括 IGBT的等效內(nèi)阻、正向?qū)▔航?、電流下降時(shí)間、電流拖尾時(shí)間、緩沖吸收電阻等以及二極管的等效內(nèi)阻、正向?qū)▔航?、緩沖吸收電阻等。上述參數(shù)可以通過(guò)所采用功率器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)獲取。所研究系統(tǒng)采用的 IGBT型號(hào)為 Fairchild FGL40N60UFD，二極管型號(hào)為Microsemi APT60—D60BG。因此，模型中設(shè)定的參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 功率器件參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting of power devices

3.2 電機(jī)及負(fù)載模型

在三電平逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，為了模擬不同的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，通常采用直流發(fā)電機(jī)與異步電機(jī)同軸連接組成對(duì)拖實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。異步電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，而直流發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能最終通過(guò)連接在電樞繞組上的電阻消耗掉。

在本文所建立的三電平逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型中，以Simulink中的異步電機(jī)和直流電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)模型為基礎(chǔ)，對(duì)其中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置進(jìn)行了優(yōu)化和處理，以期達(dá)到高模擬精度的目標(biāo)。

對(duì)于異步電機(jī)，其額定功率、額定電壓、額定頻率以及極對(duì)數(shù)等主要參數(shù)可以直接從電機(jī)銘牌獲取，而其他電機(jī)參數(shù)則需要通過(guò)空載試驗(yàn)和堵轉(zhuǎn)試驗(yàn)等手段量測(cè)獲取，如定轉(zhuǎn)子電阻、定轉(zhuǎn)子電感。但是，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量參數(shù)的獲取則需采用另外一種量測(cè)計(jì)算方法。第1步，使直流電機(jī)工作在電動(dòng)機(jī)模式以額定電壓運(yùn)行，并驅(qū)動(dòng)異步電機(jī)旋轉(zhuǎn)；第2步，記錄不同轉(zhuǎn)速下的電樞電流；第3步，通過(guò)線性擬合的方法確定電機(jī)轉(zhuǎn)速與電樞電流之間的關(guān)系，可以用下式表示

因此，電機(jī)運(yùn)行時(shí)的空載轉(zhuǎn)矩可通過(guò)下式得到

式中，KT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)；a為摩擦系數(shù)；b為空載轉(zhuǎn)矩。

第4步，使異步電機(jī)工作在高轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行，逐步降低電機(jī)轉(zhuǎn)速。由于電磁轉(zhuǎn)矩為0，則此減速過(guò)程可通過(guò)下式描述

為了求解式（3），轉(zhuǎn)速變化規(guī)律可如下得到

式（4）可以轉(zhuǎn)換為另一種形式

式中，a/J以及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量系數(shù)可以通過(guò)線性擬合方法得到。

此外，在建模過(guò)程中電機(jī)的雜散損耗也需考慮。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，在實(shí)際負(fù)載轉(zhuǎn)矩值基礎(chǔ)上提高 5%以模擬雜散損耗帶來(lái)的轉(zhuǎn)矩增加。

對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，電樞繞組的電阻、電感和勵(lì)磁繞組的電阻、電感均可以通過(guò)直接測(cè)量獲得。而電樞繞組與勵(lì)磁繞組之間的互感則需要通過(guò)如下步驟得到：第一步，使直流電機(jī)在額定勵(lì)磁電壓下空載運(yùn)行；第二步，在不同轉(zhuǎn)速下測(cè)量勵(lì)磁繞組電流和電樞繞組電壓；第三步，根據(jù)電樞繞組電壓和轉(zhuǎn)速的測(cè)量數(shù)據(jù)利用線性擬合方法得到電壓常數(shù)KE；第4步，由勵(lì)磁繞組電流除以KE可以得到電樞繞組與勵(lì)磁繞組之間的互感值。

3.3 控制器模型

三電平逆變器—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的控制器通常包括逆變器脈寬調(diào)制（如常用的空間矢量脈寬調(diào)制）和電機(jī)控制（如常用的矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制）兩個(gè)環(huán)節(jié)。異步電機(jī)、永磁同步電機(jī)等交流電機(jī)的高性能控制方法已有完整的仿真建模，在此不贅述[12]。本文將詳細(xì)介紹三電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制策略（SVPWM）的仿真建模過(guò)程。

由于可使交流電機(jī)實(shí)現(xiàn)圓形磁鏈軌跡及較好的調(diào)速性能，空間矢量脈寬調(diào)制策略已被廣泛應(yīng)用于交流電機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)中。在三電平逆變器的調(diào)制過(guò)程中，共有 27個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的電壓空間矢量。利用式（6）可構(gòu)成空間矢量六邊形，如圖3所示。

式中，UA、UB、UC分別代表三相橋臂中點(diǎn)與中性點(diǎn)O之間的電壓。

如圖3所示，空間矢量六邊形被27個(gè)基本電壓矢量分成24個(gè)三角形區(qū)域。這27個(gè)基本電壓矢量可被分為四類：6個(gè)長(zhǎng)矢量的頂點(diǎn)分別位于大六邊形的 6個(gè)頂點(diǎn)；6個(gè)中矢量的頂點(diǎn)分別位于大六邊形的6個(gè)邊上；12個(gè)小矢量（包括6個(gè)正小矢量和6個(gè)負(fù)小矢量）的頂點(diǎn)分別位于內(nèi)部小六邊形的 6個(gè)頂點(diǎn)上；3個(gè)零矢量位于六邊形的原點(diǎn)。

當(dāng)參考電壓矢量Vref旋轉(zhuǎn)至空間中某一小三角形區(qū)域內(nèi)時(shí)，可利用該小三角形3個(gè)頂點(diǎn)上的基本電壓矢量合成參考電壓矢量。調(diào)制過(guò)程中采用了七段式模式，即每個(gè)開(kāi)關(guān)周期包括7個(gè)開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的基本電壓矢量。而且，為了將少基本電壓矢量切換時(shí)帶來(lái)的電壓跳變，每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的第一個(gè)基本電壓矢量均為負(fù)小矢量。

圖3 三電平逆變器的電壓空間矢量Fig.3 Voltage space vector diagram of three-level inverters

本文基于Simulink構(gòu)建了詳細(xì)完整的SVPWM模型，從給定參考電壓矢量到的第12個(gè)開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，整個(gè)仿真建模分5步完成。

第 1步（Step1），根據(jù)參考電壓矢量Vref的幅值和頻率計(jì)算Vα和Vβ。

第 2步（Step2），確定參考電壓矢量Vref頂點(diǎn)所處的大扇區(qū)。整個(gè)大空間矢量六邊形根據(jù)相角共分為6個(gè)大扇區(qū)。在本文的工作中，這一任務(wù)由Matlab中的用戶定義嵌入性功能模塊“Outer_ Sector_Judge”來(lái)實(shí)現(xiàn)。該功能模塊的輸入量為Vα和Vβ，而輸出量為參考電壓矢量所處的大扇區(qū)號(hào)（1～6）。

第 3步（Step3），確定參考電壓矢量Vref頂點(diǎn)所處的小三角形區(qū)域。每個(gè)大扇區(qū)可以被劃分為 4個(gè)小三角形區(qū)域。參考電壓矢量Vref頂點(diǎn)所處的具體位置可由Vα和Vβ的相對(duì)幾何關(guān)系計(jì)算得到。在本文的工作中，這一任務(wù)由 Matlab中的用戶定義嵌入性功能模塊“Inner_Sector_Judge”來(lái)實(shí)現(xiàn)。該功能模塊的輸入量為參考電壓矢量所處的大扇區(qū)號(hào)和Vα、Vβ，而輸出量為參考電壓矢量所處的小三角形區(qū)域號(hào)（1～24）。

第 4步（Step4），確定每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中各個(gè)基本電壓矢量的作用時(shí)間及順序。為了縮短仿真過(guò)程中的計(jì)算時(shí)間，可以預(yù)先根據(jù)Vα、Vβ計(jì)算好相應(yīng)的電壓矢量作用時(shí)間以及作用順序，存入數(shù)據(jù)表格中，在仿真程序運(yùn)行時(shí)采用查表的方式獲得當(dāng)前開(kāi)關(guān)周期的作用時(shí)間及順序數(shù)據(jù)。這一任務(wù)也是由Matlab中的用戶定義嵌入性功能模塊“Time_Calculate”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。該功能模塊的輸入量為參考電壓矢量所處的小三角形區(qū)域號(hào)和Vα、Vβ，而輸出量為開(kāi)關(guān)器件的調(diào)制信號(hào)波（S1,S3和S2,S4）。其中“-1”表示100%Ts而“1”表示 0%Ts。

第 5步（Step5），將調(diào)制信號(hào)波轉(zhuǎn)換為所有開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這一任務(wù)由Simulink中的比較模塊實(shí)現(xiàn)。該模塊的輸入量為調(diào)制波和載波，而輸出為開(kāi)關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。為了準(zhǔn)確地描述實(shí)際系統(tǒng)中的死區(qū)效應(yīng)，在此設(shè)置了一個(gè)死區(qū)時(shí)間模塊（死區(qū)時(shí)間 2.0μs）。此外，處于上升沿和處于下降沿的死區(qū)時(shí)間并不相同，可以分別設(shè)定在仿真建模中，系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)為5kHz，而離散系統(tǒng)的全局采樣時(shí)間設(shè)為2.0μs。

4 仿真模型的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

為了充分驗(yàn)證所建立仿真模型的準(zhǔn)確性，本文專門搭建了一套二極管中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并將實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與基于仿真模型的仿真結(jié)果進(jìn)行了全面細(xì)致的比較，重點(diǎn)考察了調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和諧波特性。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)成與圖2所示主電路結(jié)構(gòu)相同，主要包括交流電源、二極管整流橋、直流母線、二極管中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器、異步電機(jī)和直流電機(jī)負(fù)載。在實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比中，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的關(guān)鍵參數(shù)和仿真模型中設(shè)置的參數(shù)完全一致，見(jiàn)表2。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)照片F(xiàn)ig.4 Photo of the experimental platform

表2 仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的關(guān)鍵參數(shù)Tab.2 Key parameters in the simulation model and the experimental platform

4.2 穩(wěn)態(tài)特性的比較驗(yàn)證

穩(wěn)態(tài)特性的比較工況包括3個(gè)不同的異步電機(jī)定子頻率值（50Hz、25Hz、5Hz）。每一工況下包含3個(gè)工作點(diǎn)，分別為100%、75%和50%額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩。比較結(jié)果見(jiàn)表3～表5。

表3 穩(wěn)態(tài)特性的比較結(jié)果（50Hz）Tab.3 Comparison results on steady-state characteristics(50Hz)

表4 穩(wěn)態(tài)特性的比較結(jié)果（25Hz）Tab.4 Comparison results on steady-state characteristics(25Hz)

圖5給出了系統(tǒng)在額定工況穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的仿真和實(shí)驗(yàn)波形比較，包括三電平逆變器輸出的三相線電壓和三相線電流波形。

表5 穩(wěn)態(tài)特性的比較結(jié)果（5Hz）Tab.5 Comparison results on steady-state characteristics(5Hz)

圖5 額定工況下逆變器輸出線電壓、線電流的波形比較Fig.5 Comparison of the output line-line voltages and phase currents at the rated condition

從以上的比較結(jié)果可以看出，本文所建立的三電平逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下具有非常高的模擬精度。與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，三電平逆變器輸出電壓、電流（即異步電機(jī)定子電壓、電流）的相對(duì)模擬誤差全部小于4%。

4.3 動(dòng)態(tài)特性的比較驗(yàn)證

動(dòng)態(tài)特性的比較工況也包括3個(gè)不同的異步電機(jī)定子頻率值（50Hz、25Hz、15Hz）。為了更好的評(píng)估系統(tǒng)仿真模型在動(dòng)態(tài)條件下的模擬精度，本文采用了負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變情況下電機(jī)電流幅值整定時(shí)間這一評(píng)估指標(biāo)，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩從額定值跳變?yōu)榭蛰d和從50%額定值跳變?yōu)榭蛰d時(shí)電機(jī)電流幅值的整定時(shí)間（從轉(zhuǎn)矩突變時(shí)刻開(kāi)始至重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的時(shí)間）。電機(jī)電流幅值的計(jì)算公式為

為了濾除噪聲信號(hào)的影響，在 Matlab中對(duì)仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用了相同參數(shù)的 Butterworth低通濾波器進(jìn)行處理。圖6給出了當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩從額定值跳變?yōu)榱銜r(shí)的波形比較，電機(jī)定子頻率為 25Hz。

圖6 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變情況下（100%→0%）電機(jī)電流幅值動(dòng)態(tài)變化波形比較（25Hz）Fig.6 Comparison of the dynamic waveforms of the motor current amplitude when load torque changes from 100% to 0% at the frequency 25Hz

圖7 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變情況下（0%→100%）電機(jī)電流幅值動(dòng)態(tài)變化波形比較（15Hz）Fig.7 Comparison of the dynamic waveforms of the motor current amplitude when load torque changes from 0% to 100% at the frequency 15Hz

不同工況下詳細(xì)的動(dòng)態(tài)特性比較結(jié)果見(jiàn)表 6。從表中可以看出，本文所建立的三電平逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型在動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況下亦具有非常高的模擬精度。與實(shí)測(cè)結(jié)果相比，三電平逆變器輸出電流（即異步電機(jī)定子電流）整定時(shí)間的相對(duì)模擬誤差全部小于9%。

表6 動(dòng)態(tài)特性的比較結(jié)果Tab.6 Comparison results on dynamic characteristics

4.4 諧波特性的比較驗(yàn)證

諧波特性的比較驗(yàn)證是在額定工況下進(jìn)行的。在仿真和實(shí)驗(yàn)中分別采集了逆變器輸出電流（即電機(jī)定子電流）的數(shù)據(jù)，并利用快速傅立葉變換（FFT）計(jì)算出總諧波畸變率（THD）。

圖8中給出了分別由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)計(jì)算得到的諧波頻譜（放大后）。實(shí)驗(yàn)中電機(jī)定子電流的THD為1.02%，而仿真中電機(jī)定子電流的 THD為0.91%，二者的相對(duì)誤差僅為 10.78%。從上述結(jié)果可以看出，本文所建立的三電平逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型在諧波特性模擬方面也具有非常高的精度。

圖8 諧波頻譜比較Fig.8 Harmonic spectrum contrast

5 結(jié)論

本文基于 Matlab/Simulink建立了一個(gè)二極管中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器—異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的仿真分析模型。根據(jù)該模型得到的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上測(cè)得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了全面的比較驗(yàn)證，考察了穩(wěn)態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性和諧波特性。

比較結(jié)果表明，本文所建立的仿真分析模型具有非常高的模擬精度，可以用作三電平逆變器—交流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段，即可以對(duì)該調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以獲得良好的動(dòng)靜態(tài)性能。

[1] 李永東, 肖曦, 高躍. 大容量多電平變換器——原理·控制·應(yīng)用[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[2] 譚國(guó)俊, 吳軒欽, 李浩, 等. Back-to-Back 雙三電平電勵(lì)磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011, 26(3): 36-43.

Tan Guojun, Wu Xuanqin, Li Hao, et al. Vector control system of electrically excited synchronous motor fed by Back-to-Back dual three-level converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(3):36-43.

[3] 周京華, 賈斌, 章小衛(wèi), 等. 混合式三電平中點(diǎn)電位平衡策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2013, 33(24): 82-89.

Zhou Jinghua, Jia Bin, Zhang Xiaowei, et al. A hybrid three-level neutral-point balance control strategy[J].Proceedings of the CSEE, 2013, 33(24): 82-89.

[4] 韓坤, 馮曉云, 葛興來(lái), 等. 動(dòng)車組牽引電動(dòng)機(jī)全速域控制的研究與仿真[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2011,26(S1): 297-302.

Han Kun, Feng Xiaoyun, Ge Xinglai, et al. Research and simulation on full speed range control of EMU traction motor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(S1): 297-302.

[5] Nabae A, Takahashi I, Akagi H. A new neutral-pointclamped PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1981, 17(5): 518-523.

[6] 蘇天諾, 鄒明軒, 彭光強(qiáng), 等. 基于統(tǒng)計(jì)綜合法和三電平特性的高速動(dòng)車組暫態(tài)負(fù)荷建模[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2014, 29(6): 257-262.

Su Tiannuo, Zou Mingxuan, Peng Guangqiang, et al.Transient load modeling of high speed multiple units based on the statistical syntheses method and threelevel characteristics[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 257-262.

[7] 宋文勝, 馮曉云, 侯黎明, 等. 電力牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的三電平直接轉(zhuǎn)矩控制算法的半實(shí)物實(shí)驗(yàn)研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(2): 165-172.

Song Wensheng, Feng Xiaoyun, Hou Liming, et al.Hardware-in-loop research of three-level direct torque control scheme for electric traction drive system[J].Transactions of China Electrotechnical Society, 2012,27(2): 165-172.

[8] 陳丹江, 葉銀忠, 華容. 基于波形實(shí)時(shí)分析的動(dòng)車組三電平逆變器故障診斷技術(shù)[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào),2014, 29(6): 106-113.

Chen Danjiang, Ye Yinzhong, Hua Rong. Fault diagnosis for three-level inverter of CRH based on realtime waveform analysis[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(6): 106-113.

[9] Bor Ren Lin. Analysis and implementation of a threelevel PWM rectifier/inverter[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2000, 36(3): 948-956.

[10] Mondal S K, Bose B K, Oleschuk V, et al. Space vector pulse width modulation of three-level inverter extending operation into overmodulation region[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2003, 18(2):604-611.

[11] Kocalmis A, Sunter S. Simulation of a space vector PWM controller for a three-level voltage-fed inverter motor drive[J]. Proceedings of IEEE IECON, 2006:1915-1920.

[12] 李永東. 交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)[M]. 2版.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.