基于GUIDE的暫態電能質量對電梯系統影響的仿真

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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擾動能力不足導致的以電壓跌落、驟升以及瞬時中斷為代表的暫態電能質量問題,已成為電梯系統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標準《發電廠及變電站輔機變頻器高低電壓穿越技術規范》。該規范頒布后,電梯變頻器高低電壓穿越能力的檢測將成為一項常態化工作。對暫態電能質量的分析評估已有廣泛研究[2-5],但輔機變頻器高低電壓穿越的測試是一個全新的課題[6],國內測試機構目前還沒有相關的測試設備和相應的測試技術可以真實全面地模擬電力系統電壓暫態擾動。因此,研發暫態電能質量對電梯系統影響的仿真系統是必要的。

本文在Matlab環境下建立了暫態電能質量對電梯系統影響的仿真系統,研究電壓跌落和驟升對電梯系統變頻器和開關電源的影響。利用GUIDE(graphic user interface design environment)工具設計和建立仿真系統人機交互界面,并結合Simulink工具搭建暫降源、變頻器和開關電源等仿真模塊,最終實現電壓跌落和驟升對變頻器和開關電源影響的仿真。

1 仿真系統構成和實現

為了模擬暫態電能質量對電梯系統的影響,本文在Matlab用戶界面開發環境GUIDE[7]下進行暫態電能質量仿真系統的設計和開發,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、變頻器模塊和開關電源模塊。針對上述每個功能模塊,分別設計仿真功能子界面,包括調用控件、仿真執行控件、示波器調用控件以及輸出波形顯示控件。此外,為了便于觀察輸出結果,添加放大、縮小、拖動和旋轉功能,如圖1左上角圖標所示。

圖1 仿真系統主界面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中的暫降源模塊設計為子界面(見圖2)的調用控件。該子界面包括參數配置、仿真執行和輸出顯示3個部分,可根據需要修改電壓幅值、暫降時刻、持續時間、A相初始相位、恢復相位以及電壓跌落幅值。執行仿真程序后,可從輸出顯示部分觀察電壓跌落后所產生的三相電流/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。在仿真執行部分,可通過調用示波器對輸出波形進行數據保存、圖形編輯等操作。此外,為便于修改和調試模塊,設計了仿真模型控件,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°的雙橋逆變電路構成。其中,每相電壓的跌落是分別通過在相應的直流電源上疊加階梯信號實現的,該階梯信號幅值需要對應著時間信號給出。每相電壓的跌落幅值、電壓跌落時間和持續時間可通過修改圖2中相應文本框的數值實現。3個雙橋逆變電路分別有各自的脈沖寬度調制(PWM)生成模塊。設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,調制指數為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)電首先經過三相全橋整流器轉換為直流電,再經過絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)逆變器轉換為交流電。變頻器輸出電壓是根據abc-dq坐標變換來的結果,由比例-積分(PI)調節器實現。

1.3.1電壓調節器

采用PI調節器控制輸出電壓,PI參數分別為Kp=0.4,Ki=500。根據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個調制信號作為PWM發生器的輸入,控制PWM脈寬波形,從而實現對逆變器的控制。

1.3.2PWM脈沖發生器

驅動IGBT逆變器的PWM脈沖信號是由PWM發生器根據電壓調節器的輸出得到的,載波頻率為2 000 Hz,初始相位為90°。

1.4 開關電源模塊

開關電源模塊子界面的各部分構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過三相全橋整流器轉換為直流電,再經過直流/直流(DC/DC)變換器轉換為電壓幅值可調的直流電。其中,DC/DC變換器由IGBT橋實現,通過PWM發生器產生的脈沖信號控制開關通斷,開關頻率為1 080 Hz。

2 仿真實驗

本文將暫降源仿真模塊的直流電壓設定為200 V,電壓變化時刻設為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致變頻器輸出的交流電壓和直流電壓相應改變,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 開關電源模塊仿真實驗

2.3.1單相電壓暫降

當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,開關電源直流電流輸出波形如圖10所示。可以看出,交流電源某一相的電壓跌落會改變開關電源直流電流輸出,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時開關電源的直流電流平均值與交流電源電壓未發生變化時相同,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 結語

本文結合Matlab環境下GUIDE圖形界面設計工具和Simulink工具,建立了用于研究暫態電能質量對電梯系統影響的仿真系統。在電壓變化條件下的仿真結果表明,該仿真系統便于設定參數和修改仿真模型,易于觀察電壓變化對變頻器和開關電源輸出的影響。

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