Процесс моделирования ПЧ в энергоустановке
Автор: Р. А. Чепкунов
Источник: Национальная библиотека Украины имени В.И. Вернадского
Введение
В настоящее время в ОАО НИИ «Преобразователь» проводится разработка преобразователя частоты (ПЧ) для ветроэнергетической установки (ВЭУ) мощностью 1 МВт. ПЧ состоит из выпрямителя, повышающего преобразователя постоянного напряжения на случай уменьшения напряжения верогенераторов при кратковременном уменьшении ветра, трехфазного трехуровневого инвертора, обеспечивающего приемлемый гармонический состав выходного напряжения. Учитывая сложность и большую стоимость проекта, для отработки технических решений параллельно проводится моделирование процессов в преобразователе частоты. Такое моделирование позволяет уменьшить затраты на разработку за счет своевременного принятия правильных технических решений, ускоряет разработку, а за счет сравнения реальных процессов с полученными при испытаниях ускоряет и испытания ПЧ.
Анализ предыдущих исследований
Имеются математические модели для анализа процессов в трехуровневом инверторе [1]. Однако разработчику изделия необходимо иметь свою собственную математическую модель, чтобы оперативно решать возникающие вопросы.
Цель работы
Разработка математической модели ПЧ для ВЭУ и отработка на ней технических решений по системе управления и преобразователю в целом в процессе разработки и испытания изделия.
Материал и результаты исследований
Моделирование процессов в преобразователе частоты выполнено с применением программы математического моделирования MathCad [2]. Эта программа предоставляет широкие возможности для построения различных математических моделей. В институте «Преобразователь» имеются наработки по моделированию процессов в преобразователях как постоянного, так и переменного тока. Сложность моделирования заключается в корректном математическом описании объекта моделирования.
В ПЧ для ВЭУ необходимо провести математическое исследование процессов как в повышающем преобразователе постоянного напряжения, так и в трехуровневом инверторе. Эти процессы могут быть рассмотрены отдельно.
Математическое моделирование и исследование процессов в повышающем преобразователе постоянного напряжения. Повышающий преобразователь постоянного напряжения (ППН) (рис. 1) состоит из индуктивности L, ключа на IGBT транзисторе Т, отсекающего диода D и конденсатора C. При периодическом отпирании ключа увеличивается ток через индуктивность, а при последующем запирании этот ток заряжает емкость, параллельно которой подключена нагрузка H.
Система регулирования ППН содержит регуля- тор напряжения РН, регулятор тока РТ и модулятор М, модулирующий управляющий сигнал транзистора Т со скважностью Q, пропорциональной выходному сигналу РТ. Выходные сигналы РТ и РН ограничены ограничителями.
Рисунок 1 – Моделируемый повышающий преобразователь постоянного напряжения
Моделирование показало, что схема предрасположена к автоколебаниям, вызываемым процессами перераспределения энергии между индуктивностью L и емкостью С. Для выявления основных закономерностей достаточно принять ток нагрузки постоянным, а частоту модуляции много большей частоты колебаний:
Результаты моделирования процессов при скачкообразном увеличении тока нагрузки представлены на рис. 2. При моделировании установлено, что колебания выходного напряжения (рис. 2, а) можно подавить применением регулятора входного тока (рис. 2, б). Соответствующим выбором параметров регулятора можно достичь полного отсутствия автоколебаний (рис. 2, в).
Таким образом, в результате моделирования обосновано применение в схеме ПЧ регулятора тока.
Математическое моделирование и исследование процессов в трехуровневом инверторе. Схема моделируемого трехуровневого инвертора представлена на рис. 3. С целью обеспечения максимального значения выходного синусоидального напряжения с минимальными искажениями при определенной величине входного напряжения в формирующий сигнал выходного фазного напряжения вводится третья гармоника. Это позволяет на 15,5% увеличить выходное линейное напряжение [1] Или на- оборот, что существенно в ПЧ для ВЭУ, получить одну и ту же величину выходного синусоидального напряжения инвертора при меньшем на 15, 5 % напряжении звена постоянного тока.
Рисунок 2 – Процессы в повышающем преобразователе постоянного напряжения
Рисунок 3 – Моделируемый трехуровневый инвертор
В начале разработки ПЧ для ВЭУ возникали вопросы, касающиеся инвертора: особенности алгоритма формирования напряжения трехуровневого инвертора; способы формирования третьей гармоники; форма напряжения на средней точке инверто- ра и др. Сейчас, благодаря моделированию, многие из них сняты, так как получены кривые интересующих сигналов и определены закономерности, влияющие на их форму. Важно также иметь результаты моделирования при проведении испытаний ПЧ.
Рисунок 4 – Результаты моделирвания трехуровневого инвертора
В качестве примера на рис. 4 представлены результаты моделирования процессов в трехуровневом инверторе с введением третьей гармоники в выходное фазное напряжение при частоте модуляции выходного напряжения 2 кГц.
Как видно из рис. 4, а, амплитуда сигнала управления равна максимальному значению опорных сигналов, тем самым обеспечивается максимальное значение выходного напряжения ПЧ при минимальных искажениях выходного тока инвертора. Выходной ток инвертора получен при подключении ПЧ к сети при сдвиге выходного напряжения ПЧ величина которого определяется реактансом сети. Изменяя величину сдвига, можно управлять мощностью ВЭУ.
Разработанная модель позволяет по мере возникновения вопросов при разработке и испытаниях, а также и при эксплуатации ПЧ оперативно исследовать схему при изменении ее параметров или управляющих сигналов. В частности, с использованием данной математической модели разработана структурная схема и алгоритм управления ПЧ, для реализации его в микропроцессорной системе управления.
Вывод
Разработана математическая модель преобразователя частоты для ветроэнергетической установки, позволяющая исследовать процессы в ПЧ при различных параметрах схемы и управляющих воздействиях. Проведение моделирования параллельно с разработкой и испытанием ПЧ позволяет уменьшить сроки разработки и повысить ее качество. В частности, получены следующие практические результаты: определена структурная схема системы регулирования и разработан алгоритм управления ПЧ для его реализации микропроцессорной системой управления.
Литература
|
|
|
|