交流變頻調速系統(tǒng)仿真軟件的研究

陳斌

【摘 要】本文通過對電力電子系統(tǒng)常用的軟件進行分析和比較，分析研究了交流變頻調速系統(tǒng)仿真軟件的設計與實現(xiàn)。針對當前的發(fā)展現(xiàn)狀對今后的開發(fā)提出了幾個方向，并對未來的發(fā)展作了展望。

【關鍵詞】調速系統(tǒng)；仿真軟件；MATLAB；Visual C++

0 引言

近年來，計算機仿真技術在電力電子技術行業(yè)得到了廣泛的應用，其在變流技術的研究應用和產(chǎn)品研發(fā)中有重要的作用。與此同時，適用于電力系統(tǒng)的各類通用仿真軟件越來越多，但它們對用戶計算機語言的要求較高，而且對一些復雜的系統(tǒng)，這些軟件的仿真效率和仿真精度也不理想。為了解決這些問題，研究和開發(fā)針對交流變頻調速系統(tǒng)的仿真平臺具有十分重要的意義。

1 電力電子系統(tǒng)的通用仿真軟件概況

目前，電力電子技術迅猛發(fā)展，電力電子電路的仿真研究越來越受到重視，在國際上，電力電子變流技術仿真軟件得到廣泛應用，美國Analogy公司研發(fā)的Saber模擬和混合信號仿真軟件，是全球最先進的系統(tǒng)仿真軟件之一，它能夠在多技術、多領域的系統(tǒng)中進行仿真研究。美國Mathwork公司推出的MATLAB軟件包，具有效率高、功能強、便于進行工程和科學計算的特點，其使用直譯式語言進行編程。MATLAB軟件包中的Simulink是該軟件中最重要的功能模塊之一，能夠進行模塊化、交互式建模和仿真。在電力電子領域，通過Simulink構建電力電子系統(tǒng)的模型，并可直接對控制器進行設計和仿真。Simulink對C語言提供了很好的支持，因此它既可以在交互式圖形環(huán)境下工作，也可以在MATLAB指令語言模式的批處理模式下工作。

不難看出，電力電子系統(tǒng)通用仿真軟件不僅具有基本的通用電路仿真功能，而且因其應用領域的不同而各具特色，在使用中可根據(jù)控制要求的不同，選用不同的電力電子電機變頻調速系統(tǒng)，但在具體分析不同調速系統(tǒng)的功能模塊時發(fā)現(xiàn)其種類很有限。此類仿真軟件的優(yōu)點是大而全，它們多數(shù)使用面向器件或面向電路的仿真算法，有效解決變頻調速系統(tǒng)變拓撲結構的建模問題，因此，用戶要根據(jù)需要建立所仿真的系統(tǒng)。對于電機變頻調速控制系統(tǒng)而言，組成電機控制系統(tǒng)的器件數(shù)量大，如果仍采用上述面向線路的建模與仿真方法，將使系統(tǒng)的分析十分復雜，仿真時間過長。

2 交流變頻調速系統(tǒng)仿真軟件

國內對于交流變頻調速系統(tǒng)的數(shù)字仿真研究已做了大量工作，但大多數(shù)研究較零散，不成系統(tǒng)，因此研制并開發(fā)一種專用的交流變頻調速系統(tǒng)仿真平臺具有重要意義。該平臺的功能是不僅為用戶提供一個具體的電力電子電機系統(tǒng)的仿真模型，而且還具有構成這些系統(tǒng)的各個功能模塊，同時允許用戶根據(jù)控制要求對這些功能模塊任意連接，從而構成用戶所需的具體系統(tǒng)。一套完整的、高效的、通用的電力電子電機系統(tǒng)仿真軟件包，應包括以下三個特點：（1）具有良好的用戶圖形界面，用戶不需專門培訓，就可以簡單直觀地構成所需的仿真系統(tǒng)；（2）通用性強，能滿足不同要求的建模與仿真，以及滿足不同用戶的要求；（3）能處理交流調速系統(tǒng)中存在的特殊問題，包括時剛性、變拓撲、非線性和系統(tǒng)優(yōu)化等。

交流變頻調速系統(tǒng)仿真軟件包就是以上述思路為基礎研制的，計算機軟、硬件及網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展為仿真軟件的設計與開發(fā)提供了良好的環(huán)境和工具。目前，對于仿真方法的研究大體有以下3個方向。

2.1 采用C++高級語言直接進行編程

目前，利用C++高級語言開發(fā)的仿真軟件有EESimulator3.0和交直流傳動系統(tǒng)CAD軟件包。EESimulator3.0是采用Visual C++6.0面向對象的程序語言對軟件進行設計和編制的，有效地解決了仿真效率和仿真精度的問題，在分析多電平變頻調速系統(tǒng)的仿真問題時，克服了仿真中出現(xiàn)的非線性、變拓撲等問題。交直流傳動系統(tǒng)CAD軟件包是在Windows環(huán)境下利用BORLAND C++語言開發(fā)而成的，在開發(fā)過程中充分利用了面向對象語言的先進特性，解決了復雜非線性反饋控制系統(tǒng)的仿真和設計問題。由于變頻調速電機系統(tǒng)是高階、非線性、多變量的復雜系統(tǒng)，采用C++高級語言直接進行仿真軟件的開發(fā)需要對系統(tǒng)進行建模，這將導致編程工作量龐大，費時費力，而且難以產(chǎn)生可靠穩(wěn)定的結構。因此，采用工具語言進行仿真研究往往要對系統(tǒng)做大量簡化，并難以從編程上實現(xiàn)對系統(tǒng)的動態(tài)仿真計算。

2.2 采用MATLAB/Simulink通用工具軟件

Matlab具有易學易用、擴展性強、高效性等特點，是一套可視化和高性能的數(shù)值計算軟件。Matlab軟件包中的Simulink為調速系統(tǒng)提供了非常方便的仿真平臺，但它也有不足之處。首先，Matlab是一種解釋性語言，因此它的實時效率是相當差的；其次，Matlab程序必須依賴于環(huán)境運行，所以它不能用于開發(fā)商用軟件；最后，Matlab程序可以直接看到應用程序的源代碼，不利于數(shù)據(jù)和算法的保密性。利用該方法進行仿真軟件開發(fā)時，采用了圖形化的開發(fā)工具， 所以開發(fā)速度快而靈活便捷。但是，為此付出的代價就是仿真運行速度慢和仿真只能在其單一的工作環(huán)境中運行，而且它也不能為用戶提供簡便、友好的交互界面，因此必須使用一種面向對象的編程語言。

2.3 采用MATLAB和Visual C++聯(lián)合編程

通過對以上兩種方法的分析論述可知，C++高級語言雖然在數(shù)值處理分析、算法工具、編程效率和準確方便地繪制數(shù)據(jù)圖形等方面遠低于Matlab語言，但它采用編譯方式運行，運行速度快，特別是它強大的程序接口，能方便地實現(xiàn)端口操作等特點，使其在編制各種特殊用途的程序時具有獨特的優(yōu)勢。因此，若能將兩者結合運用，混合編程，實現(xiàn)了兩種語言的優(yōu)勢互補，將會給編制復雜程序帶來極大的方便?；谏鲜龇治?，Matlab是功能強大的數(shù)學軟件，Visual C++是高效率的程序開發(fā)工具。通過Matlab和Visual C++聯(lián)合應用，即以Visual C++作為系統(tǒng)前端開發(fā)環(huán)境，而以Matlab作為后端仿真工具，通過Visual C++和Matlab的接口將仿真軟件轉換成可直接在Windows環(huán)境下獨立執(zhí)行的應用程序。用戶可以自己構建特制系統(tǒng)，也可調出軟件包提供的典型系統(tǒng)，修改參數(shù)后進行仿真。使用者不用編程序，只要用鼠標拖拉和點擊，就可完成全部計算機輔助設計的任務。

3 交流變頻調速系統(tǒng)仿真軟件的前景展望

變頻調速技術作為高新技術、基礎技術和節(jié)能技術已經(jīng)滲透到經(jīng)濟領域的所有部門，有著廣泛的應用前景，因此對交流傳動系統(tǒng)CAD軟件包的開發(fā)已經(jīng)越來越受到關注，它既可以用于科研項目的輔助設計，又能用于自動控制專業(yè)及相關專業(yè)課程的輔助教學。隨著我國變頻調速技術的迅速發(fā)展，我們需要將集中精力考慮控制算法，并對各種算法的控制效果能夠準確認識，因此對相應軟件功能的繼續(xù)開發(fā)和完善成了下一步研究的重點。對軟件的改進和提高主要在軟件的適用范圍和實用性方面下功夫，主要有以下幾個方面：

（1）進行系統(tǒng)仿真模塊的開發(fā)，進一步擴大軟件的應用范圍；

（2）隨著科技的發(fā)展，新元件的不斷出現(xiàn)，應不斷充實和完善模型庫的內容；

（3）完善系統(tǒng)的編輯模塊，對復雜的系統(tǒng)仿真框圖也能清晰完整地繪制。

4 結論

隨著對電力電子電機系統(tǒng)研究得不斷深入，對由電力電子系統(tǒng)和電機組成的變頻調速系統(tǒng)的仿真分析軟件的研究開始引人矚目。本文對目前的電力電子系統(tǒng)的通用仿真軟件進行了介紹和分析，在此基礎上對交流變頻調速系統(tǒng)仿真軟件進行了研究開發(fā)，該軟件可以支持仿真研究的全過程，并將有效地將高效性和通用性進行融合，提高了仿真的性能，為交流變頻調速系統(tǒng)的設計和分析提供了有效的仿真工具。

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[責任編輯：王偉平]