波浪能發(fā)電裝置電能控制器的研究

張 碧 娜

(錦州師范高等?？茖W校, 遼寧 錦州 121000)

0 引 言

由于波浪是非線性的、隨機的,隨著海況不同,浪高和頻率都是時刻變化的[1]。難點在于將發(fā)電機發(fā)出的不穩(wěn)定變化的電能轉化為可入網的連續(xù)的優(yōu)質電能[2]。在早期的換流電路中,采用最多的是晶閘管整流控制電路,該裝置的功率因數(shù)會隨著觸發(fā)角的增加而降低,這樣不僅會出現(xiàn)諧波,也增加了整個系統(tǒng)中無功功率的消耗。同時,這種“諧波污染”會使電壓波形發(fā)生畸變,還會引起線路障和器件的損壞。

文中提到的基于面積等效原理[3]的脈寬調制技術PMW(Pulse Width Modulation),可以通過控制交流側的電壓和電流來控制輸出側的直流電壓和電流。PWM整流器的主要特點是能控制整流器網側的功率因數(shù)和正弦波形,同時滿足整流器的預期輸出。在某些特定情況甚至可以讓電能雙向傳輸。與其他具有諧波抑制和無功補償功能裝置相比,PWM整流器原理是從源頭上降低了對網側的“諧波污染”,因此是一種事先諧波抑制和無功補償?shù)睦硐肫骷4]。針對這個課題的重點,本文提出電壓、電流雙閉環(huán)的PWM整流電路方案,目的是消除系統(tǒng)存在的大量諧波,使得電能轉換系統(tǒng)穩(wěn)定處于低諧波、功率因數(shù)近似于1的狀態(tài)。

1 校正功率因數(shù)原理

校正功率因數(shù)可以提高電網設備的利用率,提高的值可以提高有功功率的占比,同時也可以增加輸電線路的安全性,改善電網的電壓質量[5]。

1.1 功率因數(shù)的定義

功率因數(shù)用于表示交流(AC)電源的有效利用率,它的數(shù)學定義是有功功率P與表觀功率S之比,即

(1)

1.2 總諧波失真系數(shù)(THD)與功率因數(shù)的關系

輸入電流的方均根值(即有效值)的計算公式為

(2)

其中n為次諧波的有效值。

總諧波失真率THD為

(3)

有

由式(1)可知,提高功率因數(shù)要符合兩個必需的標準:

第1個是要使輸入側電流與電壓相位相同,即cosφ=1,第2個是要消除諧波,使輸入電流逼近正弦波,即γ≈1。

2 單相Boost-PFC電路

圖1 單相Boost-PFC整流器結構圖Fig.1 Structure of single-phase Boost-PFC rectifier

有源功率因數(shù)校正(APFC)可以作為高頻整流電路來提高功率因數(shù)。APFC電路通常有兩個控制回路:內回路允許輸入電流與整流器之后的電壓波形相同,稱為電流環(huán)。外回路可以保持輸出電壓穩(wěn)定,稱為電壓環(huán)[6]。原理是在原來的整流電路基礎上加入有源器件,這樣交流側電流波形會實現(xiàn)一定程度的正弦化,使系統(tǒng)頻率和相位歸一化。最基本的單相APFC電路是在整流電路和濾波電容之間增加DC/DC轉換電路。大多采用Boost電路,通過調整Boost電路中二級管的通斷,輸入電流會自動跟蹤監(jiān)督電壓的波形,也就是將輸入電流的波形盡量變成與輸入電壓相位一致的正弦波,且整個電路的阻抗為純阻性。這樣就避免了諧波干擾,能得到穩(wěn)定的輸出電壓,而且PF值會越來越接近1。其電路圖如圖1所示。

在圖1中,我們只要滿足以下幾個條件:開關頻率足夠高、輸入電容C足夠大、流過電感L的電流連續(xù)、輸入電壓U0是定值、電源電壓Ui波形正弦波,即Ui=Um·sin?t。則整個電路的輸入電壓 就可看做是標準的正弦半波,即Ud=|U1|=Um|sin?t|。當開關管Q導通時,Ud向L充電,C向負載供電,此時電感電流IL變大。當Q關斷、二極管D導通時,電感L兩端電壓UL反向,Ud和UL對電容供電,電感電流IL變小。

由于Boost變換器的驅動控制電路設計與整個電路所要求達到的功率值幾乎無關。例如,一個功率在3000W以上的PFC電路與一個功率為50W的PFC電路控制器幾乎相同。所以,依據(jù)設定好的設計指標,僅需把輸入端電壓的最大最小值及其頻率范圍、最大輸出功率等都先確定出來。

2.1 升壓電感的選擇

輸入側電流值取決于電感值L,峰值紋波電流值通常為最大峰值電流的20%[7]。因此,只要先計算出最大峰值電流,再進一步逆向推出紋波電流大小就可以選擇出合適的電感值。

輸入正弦電流的最大峰值出現(xiàn)在最小電網電壓的峰值處[8]:

(4)

本設計的輸出功率為1 kW,最小電網電壓為100 V,代入上式計算得最大峰值電流Ipk為14.14 A。進一步得紋波電流峰峰值:ΔI=0.2×14.14=2.828 A。

工作頻率的選擇一般與功率器件、效率、輸出功率等級都有關系。如上文假設滿足的條件通常開關頻率必須得夠高才能保證變換效率。對于本文的設計,折中且為了計算方便考慮,采用100 kHz頻率的開關。電感值根據(jù)最低半波整流電壓的峰值、在此峰值電壓時的占空比D以及開關的頻率來共同選擇[8]:

(5)

Vin=1.414×100=141.4 Vfs=100 kHz

由上列公式可得L=0.89 mH,取整為1 mH。

2.2 電容C的選取

輸出電容值的選擇主要由直流輸出電壓、紋波開關電流和維持時間等多種因素共同決定。本文的設計中,主要考慮的是維持時間。它指的是輸入端電網電壓置零后,輸出電壓仍能維持在要求范圍以內的時間,一般情況該時長為15～50 ms[9]。維持時長是跟輸出電容、輸出電壓、負載最低工作電壓等參數(shù)相關的函數(shù)。本文系統(tǒng)中的維持時間對電容值的要求為每瓦輸出1～2 μF。輸出電容計算公式如下[9]:

(6)

上式中Pout=1 kW,Δt=50ms,V0(min)=300 V,求得C0=312.5 μF,這里選用320 μF的電解電容。

2.3 開關管和二極管的選擇

在本文電路中我們選用的是快速型的高壓二極管,查閱手冊可知它的擊穿電壓是600 V,反向恢復時間為35 ns,正向額定電流為8 A。

3 PWM跟蹤控制策略分析

為了達到預期的效果,本文采用了具有電流反饋和電壓反饋功能的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。同時采用了滯環(huán)控制方式,可實現(xiàn)對電流快速跟蹤檢測的目的。滯環(huán)PMW電路對電流的響應快,跟蹤的誤差與滯環(huán)寬度有關,不隨電流變化。圖2為單相Boost-PFC整流框圖。

圖2 單相Boost-PFC整流電路滯環(huán)比較法控制策略Fig.2 hysteresis comparison control strategy for single phase Boost-PFC rectifier circuit

電流環(huán)采用滯環(huán)控制方法,通過控制開關管Q的通斷,實際的電感電流就會自動跟蹤。根據(jù)電感電流的公式,當開關Q接通時電感電流增加,當開關Q關斷時電感電流下降。通過滯環(huán)控制方法,可以保證實際的電感電流在的附近波動,波動幅度的大小跟滯環(huán)的寬度有密切關系,即和預先給出的Δmax和Δmin固定值有關。

4 單相Boost-PFC整流電路Mtalab仿真

為了驗證前文所闡述的單相Boost-PFC整流器的基本原理、雙閉環(huán)控制策略、以及直流母線電壓紋波抑制等理論在此課題中的正確性和最終效果,本章基于 Matlab/Simulink平臺進行了整個發(fā)電加轉換裝置的仿真分析。Simulink可以改變元件參數(shù)或增加減少元件來得到不同的結果,非常直觀方便,正確率高[10-12]。

4.1 仿真器件的選擇

在平臺中SimPowerSystems模塊里選擇仿真器件,主要元件有:Powergui工作環(huán)境、滯環(huán)比較器(Relay)、單相交流電源、整流橋電路(Universal Bridge)、PID Control(PID控制器)、Mosfet(場效應晶體管)、Diode(普通二極管)、Discrete Mean value(離散平均值測量器)、Scope(示波器)、Gain(濾波器)、Product(乘法器)、Divide(除法器)、Constant(輸入給定值)、Display(顯示器)等等。

4.2 仿真時系統(tǒng)各參數(shù)設置

主要的參數(shù)如下:

1) 輸入電壓(網側電壓)為220 V。

2) 頻率為50 Hz。

3) 輸出電壓參考值為500 V。

4) 電感值為6 MH。

5) 電容值C為320 μF。

6) DC側的負載電阻為160 Ω。

7) 整流橋系統(tǒng)中的參數(shù):Rs=1e-6F、Cs=1e-6F、Ron=0。

8) 開關管Q中采用MOSFET,其中Ron=0.001 Ω,Lon=0,Rd=0.01 Ω,Vf=0,Ic=0,Rs=1e5Ω,Cs=inf。

9) Boost電路中元件參數(shù):Ron=0.001 Ω,Lon=0,Vf=0.8 V,Ic=0,Rs=500 Ω,Cs=250e-9F。

10) 電壓外環(huán)Kvp=0.02,Kvi=5。

從下面圖3和圖4中可以明顯看出,該模擬電路穩(wěn)定運行時,交流側電流是與輸出電壓相位相同的正弦波。穩(wěn)定之后的功率因數(shù)也在0.995左右,基本接近1。

圖3 輸出電壓波形和電流波形圖Fig.3 Output voltage waveform and current waveform

圖4 交流側功率因數(shù)Fig.4 Power factor of AC side

5 結 論

6 展 望

該文章是整個研究過程的一部分,可以對Simulink模型配置、參數(shù)選擇繼續(xù)進行研究,進行優(yōu)化。在今后可以采用簡單的LC串聯(lián)諧振電路濾除特定的高次諧波。該文章只簡單介紹了單相控制器的功率因數(shù)的修正,在今后希望可以拓展到三相控制電路當中,也可以推廣到大容量的電力系統(tǒng)當中。還可以在現(xiàn)在的數(shù)字控制電路基礎上,將PFC控制系統(tǒng)與其他部分結合起來,如DC-DC或DC-AC變換器等,實現(xiàn)對電源整體的數(shù)控制。