基于GUIDE的暫態(tài)電能質(zhì)量對電梯系統(tǒng)影響的仿真

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(1.深圳供電局有限公司,廣東 深圳 518000; 2.深圳中嘉智聯(lián)能源科技有限公司,廣東 深圳 528010)

近年來,由變頻器抗電壓暫態(tài)擾動能力不足導(dǎo)致的以電壓跌落、驟升以及瞬時中斷為代表的暫態(tài)電能質(zhì)量問題,已成為電梯系統(tǒng)安全行駛的一大隱患[1]。針對這一問題,中國電科院起草了電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《發(fā)電廠及變電站輔機(jī)變頻器高低電壓穿越技術(shù)規(guī)范》。該規(guī)范頒布后,電梯變頻器高低電壓穿越能力的檢測將成為一項常態(tài)化工作。對暫態(tài)電能質(zhì)量的分析評估已有廣泛研究[2-5],但輔機(jī)變頻器高低電壓穿越的測試是一個全新的課題[6],國內(nèi)測試機(jī)構(gòu)目前還沒有相關(guān)的測試設(shè)備和相應(yīng)的測試技術(shù)可以真實全面地模擬電力系統(tǒng)電壓暫態(tài)擾動。因此,研發(fā)暫態(tài)電能質(zhì)量對電梯系統(tǒng)影響的仿真系統(tǒng)是必要的。

本文在Matlab環(huán)境下建立了暫態(tài)電能質(zhì)量對電梯系統(tǒng)影響的仿真系統(tǒng),研究電壓跌落和驟升對電梯系統(tǒng)變頻器和開關(guān)電源的影響。利用GUIDE(graphic user interface design environment)工具設(shè)計和建立仿真系統(tǒng)人機(jī)交互界面,并結(jié)合Simulink工具搭建暫降源、變頻器和開關(guān)電源等仿真模塊,最終實現(xiàn)電壓跌落和驟升對變頻器和開關(guān)電源影響的仿真。

1 仿真系統(tǒng)構(gòu)成和實現(xiàn)

為了模擬暫態(tài)電能質(zhì)量對電梯系統(tǒng)的影響,本文在Matlab用戶界面開發(fā)環(huán)境GUIDE[7]下進(jìn)行暫態(tài)電能質(zhì)量仿真系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā),并利用Simulink工具搭建各個功能模塊。

1.1 仿真功能主界面

仿真系統(tǒng)主界面如圖1所示。該主界面主要包括3個部分:暫降源模塊、變頻器模塊和開關(guān)電源模塊。針對上述每個功能模塊,分別設(shè)計仿真功能子界面,包括調(diào)用控件、仿真執(zhí)行控件、示波器調(diào)用控件以及輸出波形顯示控件。此外,為了便于觀察輸出結(jié)果,添加放大、縮小、拖動和旋轉(zhuǎn)功能,如圖1左上角圖標(biāo)所示。

圖1 仿真系統(tǒng)主界面Fig.1 Main interface of the simulation system

1.2 暫降源模塊

1.2.1暫降源模塊子界面

將圖1中的暫降源模塊設(shè)計為子界面(見圖2)的調(diào)用控件。該子界面包括參數(shù)配置、仿真執(zhí)行和輸出顯示3個部分,可根據(jù)需要修改電壓幅值、暫降時刻、持續(xù)時間、A相初始相位、恢復(fù)相位以及電壓跌落幅值。執(zhí)行仿真程序后,可從輸出顯示部分觀察電壓跌落后所產(chǎn)生的三相電流/電壓波形。圖2所示為A相電壓在0.1～0.3 s降低100 V時的三相電流/電壓輸出波形。在仿真執(zhí)行部分,可通過調(diào)用示波器對輸出波形進(jìn)行數(shù)據(jù)保存、圖形編輯等操作。此外,為便于修改和調(diào)試模塊,設(shè)計了仿真模型控件,可以直接鏈接到該模塊的Simulink界面。

1.2.2暫降源模塊原理

暫降源三相交流電的生成電路由3個相位依次差120°的雙橋逆變電路構(gòu)成。其中,每相電壓的跌落是分別通過在相應(yīng)的直流電源上疊加階梯信號實現(xiàn)的,該階梯信號幅值需要對應(yīng)著時間信號給出。每相電壓的跌落幅值、電壓跌落時間和持續(xù)時間可通過修改圖2中相應(yīng)文本框的數(shù)值實現(xiàn)。3個雙橋逆變電路分別有各自的脈沖寬度調(diào)制(PWM)生成模塊。設(shè)該模塊中的載波頻率為1 080 Hz,初始相位為90°,基波頻率為60 Hz,調(diào)制指數(shù)為0.8,A、B、C三相的基波相位分別為0°、120°和240°。

圖2 暫降源模塊子界面Fig.2 Sub-interface of voltage sag source

1.3 變頻器模塊

變頻器模塊子界面的各部分構(gòu)成及功能與暫降源模塊相同。變頻器模塊采用交直交變頻方式。由暫降源輸出的三相交流(AC)電首先經(jīng)過三相全橋整流器轉(zhuǎn)換為直流電,再經(jīng)過絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變器轉(zhuǎn)換為交流電。變頻器輸出電壓是根據(jù)abc-dq坐標(biāo)變換來的結(jié)果,由比例-積分(PI)調(diào)節(jié)器實現(xiàn)。

1.3.1電壓調(diào)節(jié)器

采用PI調(diào)節(jié)器控制輸出電壓,PI參數(shù)分別為Kp=0.4,Ki=500。根據(jù)變頻器輸出和參考輸入,通過3/2變換和2/3變換計算出3個調(diào)制信號作為PWM發(fā)生器的輸入,控制PWM脈寬波形,從而實現(xiàn)對逆變器的控制。

1.3.2PWM脈沖發(fā)生器

驅(qū)動IGBT逆變器的PWM脈沖信號是由PWM發(fā)生器根據(jù)電壓調(diào)節(jié)器的輸出得到的,載波頻率為2 000 Hz,初始相位為90°。

1.4 開關(guān)電源模塊

開關(guān)電源模塊子界面的各部分構(gòu)成及功能與暫降源模塊相同。由暫降源輸出的三相交流電首先經(jīng)過三相全橋整流器轉(zhuǎn)換為直流電,再經(jīng)過直流/直流(DC/DC)變換器轉(zhuǎn)換為電壓幅值可調(diào)的直流電。其中,DC/DC變換器由IGBT橋?qū)崿F(xiàn),通過PWM發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖信號控制開關(guān)通斷,開關(guān)頻率為1 080 Hz。

2 仿真實驗

本文將暫降源仿真模塊的直流電壓設(shè)定為200 V,電壓變化時刻設(shè)為0.1 s,電壓變化維持時間為0.2 s。

2.1 暫降源模塊仿真實驗

當(dāng)A相電壓降低幅值分別為直流電壓幅值的20%、40%、80%以及-30%(即電壓暫升30%,后同)時,暫降源電流輸出波形如圖3所示。

圖3 A相電壓降低對暫降源電流輸出波形的影響Fig.3 Effect of A phase voltage drop on current output waveform of transient source

2.2 變頻器模塊仿真實驗

2.2.1單相電壓暫降

當(dāng)A相電壓降低幅值分別為直流電壓幅值的20%、40%、60%、80%、100%以及-30%時,變頻器直流電壓輸出波形如圖4所示。由圖4可知,交流電源某一相電壓的改變導(dǎo)致變頻器輸出的交流電壓和直流電壓相應(yīng)改變,并且變頻器輸出電壓的變化幅值隨著交流電源電壓降低幅值的增加而增加。

圖4 A相電壓降低對變頻器直流電壓輸出波形的影響Fig.4 Effect of A phase voltage drop on DC voltage output waveform of frequency converter

2.2.2兩相電壓暫降

若同時將A、B相電壓降低40 V,在0.1～0.3 s時變頻器的直流電壓平均值與交流電源A相電壓降低80 V時情況相近,但波動幅度稍有減小(見圖5)。

圖5 A、B相電壓同時降低40 V與A相電壓降低80 V時直流電壓輸出波形Fig.5 DC voltage output waveform when A and B phase fall 40 V and A phase falls 80 V

2.2.3三相電壓暫降

若同時將A、B、C相電壓降低40 V,在0.1～0.3 s時變頻器的直流電壓平均值與交流電源A相電壓降低120 V時情況相近,但波動幅度略有減小(見圖6)。

圖6 A、B、C相電壓同時降低40 V與A相電壓降低120 V時直流電壓輸出波形Fig.6 DC voltage output waveform when A,B and C phase fall 40 V and A phase falls 120 V

2.2.4一相電壓暫降、一相電壓暫升

(1)暫降幅值等于暫升幅值

若將A相電壓降低40 V,B相電壓升高40 V,在0.1～0.3 s時變頻器的直流電壓平均值與交流電源電壓未發(fā)生變化時相同,但波動幅度略有增加(見圖7)。

圖7 A相電壓降低40 V、B相電壓升高40 V與交流電壓未發(fā)生變化時直流電壓輸出波形Fig.7 DC voltage output waveform when A phase falls 40 V and B phase raises 40 V and AC voltage does not vary

(2)暫降幅值高于暫升幅值

若將A相電壓降低100 V,B相電壓升高40 V,在0.1～0.3 s時變頻器的直流電壓平均值與交流電源A相電壓降低60 V時情況相近,但波動幅度稍有增加(見圖8)。

(3)暫降幅值低于暫升幅值

若將A相電壓降低40 V,B相電壓升高100 V,在0.1～0.3 s時變頻器的直流電壓平均值與交流電源B相電壓升高60 V時情況相近,但波動幅度稍有增加(見圖9)。

圖8 A相電壓降低100 V、B相電壓升高40 V與A相電壓降低60 V時直流電壓輸出波形Fig.8 DC voltage output waveform when A phase falls 100 V and B phase raises 40 V and A phase falls 60 V

圖9 A相電壓降低40 V、B相電壓升高100 V與B相電壓升高60 V時直流電壓輸出波形Fig.9 DC voltage output waveform when A phase falls 40 V and B phase raises 100 V and B phase raises 60 V

2.3 開關(guān)電源模塊仿真實驗

2.3.1單相電壓暫降

當(dāng)A相電壓跌落幅值分別為直流電壓幅值的20%、40%、60%、80%、100%以及-30%時,開關(guān)電源直流電流輸出波形如圖10所示?？梢钥闯?交流電源某一相的電壓跌落會改變開關(guān)電源直流電流輸出,且電流改變的幅值隨交流電源電壓跌落幅值的增加而增加。

2.3.2兩相電壓暫降

若同時將A、B相電壓降低40 V,在0.1～0.3 s時開關(guān)電源的直流電流平均值與交流電源A相電壓降低80 V時情況相近,但電流平均值稍有減小(見圖11)。

2.3.3三相電壓暫降

若同時將A、B、C相電壓降低40 V,在0.1～0.3 s時開關(guān)電源的直流電流平均值與交流電源A相電壓降低120 V時情況相近,但電流平均值稍有增加(見圖12)。

圖10 A相電壓降低對開關(guān)電源直流電流輸出波形的影響Fig.10 Effect of A phase voltage drop on DC current output waveform of switch power supply

圖11 A、B相電壓同時降低40 V與A相電壓降低80 V時直流電流輸出波形Fig.11 DC current output waveform when A and B phase fall 40 V and A phase falls 80 V

2.3.4一相電壓暫降、一相電壓暫升

(1)暫降幅值等于暫升幅值

若將A相電壓降低40 V,B相電壓升高40 V,在0.1～0.3 s時開關(guān)電源的直流電流平均值與交流電源電壓未發(fā)生變化時相同,但電流平均值稍有增加(見圖13)。

(2)暫降幅值高于暫升幅值

若將A相電壓降低100 V,B相電壓升高40 V,在0.1～0.3 s時開關(guān)電源的直流電流平均值與交流電源A相電壓降低60 V時情況相近,但電流平均值略有增加(見圖14)。

圖12 A、B、C相電壓同時降低40 V與A相電壓降低120 V時直流電流輸出波形Fig.12 DC current output waveform when A,B and C phase fall 40 V and A phase falls 120 V

圖13 A相電壓降低40 V、B相電壓升高40 V與交流電壓未發(fā)生變化時直流電流輸出波形Fig.13 DC current output waveform when A phase falls 40 V and B phase raises 40 V and AC voltage does not vary

圖14 A相電壓降低100 V、B相電壓升高40 V與A相電壓降低60 V時直流電流輸出波形Fig.14 DC current output waveform when A phase falls 100 V and B phase raises 40 V and A phase falls 60 V

(3)暫降幅值低于暫升幅值

若將A相電壓降低40 V,B相電壓升高100 V,在0.1～0.3 s時開關(guān)電源的直流電流平均值與交流電源B相電壓升高60 V時情況相近,但電流平均值稍有增加(見圖15)。

圖15 A相電壓降低40 V、B相電壓升高100 V與B相電壓升高60 V時直流電流輸出波形Fig.15 DC current output waveform when A phase falls 40 V and B phase raises 100 V and B phase raises 60 V

3 結(jié)語

本文結(jié)合Matlab環(huán)境下GUIDE圖形界面設(shè)計工具和Simulink工具,建立了用于研究暫態(tài)電能質(zhì)量對電梯系統(tǒng)影響的仿真系統(tǒng)。在電壓變化條件下的仿真結(jié)果表明,該仿真系統(tǒng)便于設(shè)定參數(shù)和修改仿真模型,易于觀察電壓變化對變頻器和開關(guān)電源輸出的影響。

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