第5章 系统的参数设计仿真及实验
为了验证该方法的有效性,本文利用Matlab中的Simulink模块搭建了系统仿真模型,并对系统的参数进行了设计。为了进一步验证该方法的实用性,本文搭建了实验样机,仿真数据和实验数据验证了该方法的有效性和实用性。
5.1 系统的参数设计
5.1.1 HAPF主电路容量的设计
在HAPF装置中,采用的控制方案:Uc=KIsh,APF控制为谐波电压源,不承担基波电压,基波电压由LC无源滤波器承担,因此在很大程度上降低了有源电力滤波器的容量。HAPF装置逆变器的容量知可用下式确定:【1】
式中Ku、K,分别为电压与电流系数。对于相同的系统参数和负荷情况,电压系数Ku;远远小于1,尺/大于等于1。但两者的乘积仍远小于1。所以混合型有源滤波装置逆变器的容量远小于常规型HAPF的容量,两者比值不超过30%。这是混合型有源滤波装置的重要优点。
混合型滤波装置逆变器的容量与补偿对象负荷的容量的比值为:【2】
电压系数尤^/<<1,电流系数&<1。因此,两者的乘积远小于1,即混合型有源滤波装置逆变器的容量远小于被补偿对象的容量,两者比值约为7%,这是混合型有源滤波装置的又一个优点。
5.1.2 输出滤波器的设计
有源逆变器输出电压中不但含有所需要的补偿电压外,而且还含有因功率器件开断所引起的高频毛刺[64]。若将有源逆变器输出电压直接加于注入支路,必将给电网带来新的高频污染。因此,必须增加输出滤波器来滤除逆变器引起的高频毛刺。由于APF逆变器输出的电压频谱主要为低频有效谐波频率和高频开关毛刺频率,为了避免将这两种信号过度放大,而导致电路元件过压、过流,一般使输出滤波器中电感Z和电容C的谐振频率/z满足3/</z<y;/5(其中/代表逆变器输出补偿谐波的最大频率,/s代表PWM载波频率)。设计开关纹波滤波器,主要是解决电感和电容C的分压问题,在PWM载波频率附近电感Z和电容C应满足:
为了使有源逆变器输出的高频电压大部分降在电感I而电容C的两端电压近似为0,应使义0?及;Xc和JrL?Zs,其中Zs为系统在PWM载波频率下折合到称合变压器一次则的等效阻抗,该条件的目的是保证分压在电感i和电容C之间进行,受&的影响不大,这就要求电感和电容C的值不是很大。需要注意的是,电容C的大小又会影响APF的跟踪速度,电容C越大,APF的跟踪速度越慢。而跟踪速度是APF的一个很重要的性能指标,决定了在动态情况下APF的补偿效果。因此,在设计开关纹波滤波器时应考虑这点。一般电感取值在0.4-lmH之间,电容取值在30-10()iaF之间。
5.1.3 锅合变压器的设计
称合变压器连接在输出滤波器和注入支路之间,不仅可以用来匹配有源部分的电压和电流,而且还可以起到电气隔离的作用。对于HAPF来说,因称合变压器流入的基波电流较小,其容量主要由APF产生的谐波功率来决定。即:【3】
式中为变压器的功率,Ush为APF输出的谐波相电压,Ish为APF输出的谐波相电流,K为系数,一般取2-3。
5.1.4 逆变器直流侧电容的设计
有源逆变电路中的电容的作用是稳定电压,理论上电容值越大越有利于电压的稳定,但大电容成本高,体积大,不利于现场应用。工程实践中确定电容的主要依据是限制逆变器工作在最低输出频率和额定输出电流时直流电压的低频脉动率。所需电容的容量可按式(5.6)进行计算。【4】
式中:/为逆变器的额定输出电流方均根值,t/d为直流电压平均值,/为逆变器的最低输出频率,a为允许的直流电压频率低峰值波纹因数,是与负载位移因数角有关的系数。
5.1.5 主电路中开关器件的设计
APF的主电路开关器件可以采用功率场效应晶体管(MOSFET)、绝缘门极双极型晶体管(IGBT)、门极可关断晶闹管(GTO)和集成门极换流晶闸管(IGCT)等。在选择功率开关器件时,主要考虑器件的开关频率、耐压值和电流等级。
MOSFET适合用于小容量的APF; IGBT适用于中等频率和容量的APF;大容量低频率的场合常选用GTO、IGCT等器件。
本文设计的APF的容量为lOOkVA,故主电路的幵关器件选择IGBT。根据直流侧电容电压值选择IGBT的耐压值,一般IGBT的额定电压选为直流侧电压的1.5倍;根据最大补偿电流选择IGBT的电流等级,通常情况下,为保留一定的安全裕度,IGBT的额定电流选为最大补偿电流的2倍。因而选用EUPEC公司生产的IGBT,其最高耐压为1700V,额定电流为400A。
5.1.6 开关频率及死区的设计
理想情况下,逆变器的单桥臂的IGBT总是互补的导通和关断。但是,IGBT都存在着一定的导通和关断时间,尤其是关断时间比导通时间长,如果在IGBT关断的过程中,同一桥臂上的另一个IGBT立即导通,则必然使直流母线电压直通而损坏IGBT。因此,应使同一桥臂上下IGBT导通和关断错开一定的时间,即死区时间Td,以保证同一桥臂上下IGBT总是先关后通。注入死区时间的方式有许多种,本文釆用了延时导通的方式。在实验中设置的死区时间为5jis,以保证死区不对逆变器补偿控制产生较大的影响,一般选取逆变器开关周期应该大于10倍的死区时间。而且装置整体的效率很大程度上也受到开关频率的影响。幵关频率增加,系统的运行损耗也会相应增加,而且可能会产生电磁干扰问题等。在PWM控制中,幵关频率等于采样频率,因此开关频率还会影响控制器的计算精度与计算速度的问题。综合以上因素考虑,逆变器的实际开关频率设为6kHz。
5.2 仿真结果及其分析
本文利用Matlab中的simulink模块进行建模仿真,利用powergui中的快速傅里叶变换(FFT)模块对电动汽车充电站谐波电流进行分析。仿真模型如图5.1。【5】
图5.1中HAPF中的APF仿真模块如图5.2。【6】
根据系统参数设计所选择的系统仿真模型的仿真参数如表5-1。【7】
根据上述参数仿真得到滤波前的电流波形如图5.3(a),对滤波前的波形进行FFT分析如图5.3(b)。从中可以看出电流总谐波畸变率达34.58%远远超过国家标准。【8】
在0.04s时投入HAPF,滤波后的波形如图5.4(a)。对滤波后的波形进行FFT分析如图5.4(b),从中可以看出,电流总谐波畸变率仅为3.92%已经达到了国家关于并网电流的要求,电能质量得到很大改善。【9】
APF输出的电流波形如图5.5。【10】
表5-2为HAPF投运前后的仿真数据对比表,对表的数据分析可知:投入HAPF后,电能质量得到明显改善,从而验证了 HAPF和新型控制方法的有效性和先进性。【11】
5.3 实验结果及其分析
为了进一步验证该方法的实用性,本文搭建了实验样机,元件参数与仿真参数相同。HAPF(如图5.6)的硬件系统由分别负责谐波分析、PWM波输出、系统对外通讯等模块构成。有源电力滤波器的三相桥式逆变器采用了智能功率模块IPM。IPM智能功率模块是集门极驱动和短路、过流、欠压、过热等保护功能于一体的IGBT功率器件,其结构紧凑、性能稳定、工作可靠,能大大地缩短产品的幵发和调试周期。但IPM工作在较高的开关频率(如6.4kHz)会在关断和开通的时候产生强烈的电磁干扰,轻则导致系统上下位机通信失败,重则导致IPM模块烧毁。引起IPM过电流的主要因素是母线电感和缓冲电路及其元件内部的杂散电感,而且电感越大,过电压越大。因而,IPM电路要求母线电感和缓冲电路及其元件内部的杂散电感愈小愈好。控制系统是APF的核心,决定了 APF的主要性能和指标[65]。实验样机的控制面板(如图5.7)主要包括:(l)DSP控制芯片。
由于APF对控制的实时性要求非常高,因此本文采用了双DSP控制方案。DSP芯片的型号为TMS320F240,速度为150M。与以往的定点DSP相比,该器件具有精度高,成本低,功耗小,性能高,外设集成度高,数据以及程序存储量大,A/D转换更精确快速等优点。由于APF系统需要检测负载电流和主回路电流,A/D采用DSP内部的两个12位可以同时进行采样的A/D转换器。驱动PWM变流器的信号由DSP的两个全比较单元产生,通过高速光称直接与IPM模块相连。(2)非线性负载电流与主回路补偿电流的检测与平移回路。对非线性负载电流与主回路补偿电流检测均采用兵字型TA1015-2电流互感器,检测量还需要通过相位补偿、电平偏移等调理电路。(3)电源频率测定和直流侧电压检测电路。实验中,电源电压经过变压器隔离后,再经电阻分压,通过比较器MAX998接到DSP的捕获引脚。主回路中,直流侧的电压经过电阻分压后,再经差分运放送入DSP的A/D转换,在DSP内部进行数字PI控制,使计算出的谐波与无功指令电流包含电压控制的功能。HAPF的工作流程是:将霍尔传感器传送来的系统电流或电压信号经调理电路处理,使其成为能够符合DSP的A/D输入通道要求的信号,经A/D转换后,由DSP对系统电流和电压进行分析,分离出谐波分量,并产生相应的指令电流和幵关状态,PWM电路生成实际的开关控制信号,经光称隔离后送到IPM驱动板,驱动IPM模块以产生相应大小的谐波补偿电流。按照上述方法搭建出HAPF的实验样机后,本文进行了实验。负荷电动汽车充电机的参数如表5-3。【12】
用电能质量分析仪采集到的实验数据如图5.8。【略】
表5-4给出了滤波器投入前后的数据,通过滤波器投入前后的数据比较,司以得出:投入滤波器后,谐波电流总畸变率大大降低,功率因数已经接近于1,实现了谐波抑制与无功补偿,电能质量得到明显的改善,从而验证了该方法的实用性。【13】
5.4 本章小结
本章为了验证本文所釆用方法的有效性和实用性搭建了仿真模型和实验样机。重点介绍了 HAPF的参数设计方法,给出了仿真和实验样机各个器件的参数。
采集到的仿真数据和实验数据表明:投入HAPF后电动汽车充电站的总谐波畸变率已经达到国家的并网要求,功率因数得到很大的提高,已接近于1,电能质量得到明显的改善,从而验证了该方法的有效性和实用性。
