基于GUIDE的暂态电能质量对电梯系统影响的仿真

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(1.深圳供电局有限公司,广东 深圳 518000; 2.深圳中嘉智联能源科技有限公司,广东 深圳 528010)

近年来,由变频器抗电压暂态扰动能力不足导致的以电压跌落、骤升以及瞬时中断为代表的暂态电能质量问题,已成为电梯系统安全行驶的一大隐患[1]。针对这一问题,中国电科院起草了电力行业标准《发电厂及变电站辅机变频器高低电压穿越技术规范》。该规范颁布后,电梯变频器高低电压穿越能力的检测将成为一项常态化工作。对暂态电能质量的分析评估已有广泛研究[2-5],但辅机变频器高低电压穿越的测试是一个全新的课题[6],国内测试机构目前还没有相关的测试设备和相应的测试技术可以真实全面地模拟电力系统电压暂态扰动。因此,研发暂态电能质量对电梯系统影响的仿真系统是必要的。

本文在Matlab环境下建立了暂态电能质量对电梯系统影响的仿真系统,研究电压跌落和骤升对电梯系统变频器和开关电源的影响。利用GUIDE(graphic user interface design environment)工具设计和建立仿真系统人机交互界面,并结合Simulink工具搭建暂降源、变频器和开关电源等仿真模块,最终实现电压跌落和骤升对变频器和开关电源影响的仿真。

1 仿真系统构成和实现

为了模拟暂态电能质量对电梯系统的影响,本文在Matlab用户界面开发环境GUIDE[7]下进行暂态电能质量仿真系统的设计和开发,并利用Simulink工具搭建各个功能模块。

1.1 仿真功能主界面

仿真系统主界面如图1所示。该主界面主要包括3个部分:暂降源模块、变频器模块和开关电源模块。针对上述每个功能模块,分别设计仿真功能子界面,包括调用控件、仿真执行控件、示波器调用控件以及输出波形显示控件。此外,为了便于观察输出结果,添加放大、缩小、拖动和旋转功能,如图1左上角图标所示。

图1 仿真系统主界面Fig.1 Main interface of the simulation system

1.2 暂降源模块

1.2.1暂降源模块子界面

将图1中的暂降源模块设计为子界面(见图2)的调用控件。该子界面包括参数配置、仿真执行和输出显示3个部分,可根据需要修改电压幅值、暂降时刻、持续时间、A相初始相位、恢复相位以及电压跌落幅值。执行仿真程序后,可从输出显示部分观察电压跌落后所产生的三相电流/电压波形。图2所示为A相电压在0.1～0.3 s降低100 V时的三相电流/电压输出波形。在仿真执行部分,可通过调用示波器对输出波形进行数据保存、图形编辑等操作。此外,为便于修改和调试模块,设计了仿真模型控件,可以直接链接到该模块的Simulink界面。

1.2.2暂降源模块原理

暂降源三相交流电的生成电路由3个相位依次差120°的双桥逆变电路构成。其中,每相电压的跌落是分别通过在相应的直流电源上叠加阶梯信号实现的,该阶梯信号幅值需要对应着时间信号给出。每相电压的跌落幅值、电压跌落时间和持续时间可通过修改图2中相应文本框的数值实现。3个双桥逆变电路分别有各自的脉冲宽度调制(PWM)生成模块。设该模块中的载波频率为1 080 Hz,初始相位为90°,基波频率为60 Hz,调制指数为0.8,A、B、C三相的基波相位分别为0°、120°和240°。

图2 暂降源模块子界面Fig.2 Sub-interface of voltage sag source

1.3 变频器模块

变频器模块子界面的各部分构成及功能与暂降源模块相同。变频器模块采用交直交变频方式。由暂降源输出的三相交流(AC)电首先经过三相全桥整流器转换为直流电,再经过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)逆变器转换为交流电。变频器输出电压是根据abc-dq坐标变换来的结果,由比例-积分(PI)调节器实现。

1.3.1电压调节器

采用PI调节器控制输出电压,PI参数分别为Kp=0.4,Ki=500。根据变频器输出和参考输入,通过3/2变换和2/3变换计算出3个调制信号作为PWM发生器的输入,控制PWM脉宽波形,从而实现对逆变器的控制。

1.3.2PWM脉冲发生器

驱动IGBT逆变器的PWM脉冲信号是由PWM发生器根据电压调节器的输出得到的,载波频率为2 000 Hz,初始相位为90°。

1.4 开关电源模块

开关电源模块子界面的各部分构成及功能与暂降源模块相同。由暂降源输出的三相交流电首先经过三相全桥整流器转换为直流电,再经过直流/直流(DC/DC)变换器转换为电压幅值可调的直流电。其中,DC/DC变换器由IGBT桥实现,通过PWM发生器产生的脉冲信号控制开关通断,开关频率为1 080 Hz。

2 仿真实验

本文将暂降源仿真模块的直流电压设定为200 V,电压变化时刻设为0.1 s,电压变化维持时间为0.2 s。

2.1 暂降源模块仿真实验

当A相电压降低幅值分别为直流电压幅值的20%、40%、80%以及-30%(即电压暂升30%,后同)时,暂降源电流输出波形如图3所示。

图3 A相电压降低对暂降源电流输出波形的影响Fig.3 Effect of A phase voltage drop on current output waveform of transient source

2.2 变频器模块仿真实验

2.2.1单相电压暂降

当A相电压降低幅值分别为直流电压幅值的20%、40%、60%、80%、100%以及-30%时,变频器直流电压输出波形如图4所示。由图4可知,交流电源某一相电压的改变导致变频器输出的交流电压和直流电压相应改变,并且变频器输出电压的变化幅值随着交流电源电压降低幅值的增加而增加。

图4 A相电压降低对变频器直流电压输出波形的影响Fig.4 Effect of A phase voltage drop on DC voltage output waveform of frequency converter

2.2.2两相电压暂降

若同时将A、B相电压降低40 V,在0.1～0.3 s时变频器的直流电压平均值与交流电源A相电压降低80 V时情况相近,但波动幅度稍有减小(见图5)。

图5 A、B相电压同时降低40 V与A相电压降低80 V时直流电压输出波形Fig.5 DC voltage output waveform when A and B phase fall 40 V and A phase falls 80 V

2.2.3三相电压暂降

若同时将A、B、C相电压降低40 V,在0.1～0.3 s时变频器的直流电压平均值与交流电源A相电压降低120 V时情况相近,但波动幅度略有减小(见图6)。

图6 A、B、C相电压同时降低40 V与A相电压降低120 V时直流电压输出波形Fig.6 DC voltage output waveform when A,B and C phase fall 40 V and A phase falls 120 V

2.2.4一相电压暂降、一相电压暂升

(1)暂降幅值等于暂升幅值

若将A相电压降低40 V,B相电压升高40 V,在0.1～0.3 s时变频器的直流电压平均值与交流电源电压未发生变化时相同,但波动幅度略有增加(见图7)。

图7 A相电压降低40 V、B相电压升高40 V与交流电压未发生变化时直流电压输出波形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)暂降幅值高于暂升幅值

若将A相电压降低100 V,B相电压升高40 V,在0.1～0.3 s时变频器的直流电压平均值与交流电源A相电压降低60 V时情况相近,但波动幅度稍有增加(见图8)。

(3)暂降幅值低于暂升幅值

若将A相电压降低40 V,B相电压升高100 V,在0.1～0.3 s时变频器的直流电压平均值与交流电源B相电压升高60 V时情况相近,但波动幅度稍有增加(见图9)。

图8 A相电压降低100 V、B相电压升高40 V与A相电压降低60 V时直流电压输出波形Fig.8 DC voltage output waveform when A phase falls 100 V and B phase raises 40 V and A phase falls 60 V

图9 A相电压降低40 V、B相电压升高100 V与B相电压升高60 V时直流电压输出波形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 开关电源模块仿真实验

2.3.1单相电压暂降

当A相电压跌落幅值分别为直流电压幅值的20%、40%、60%、80%、100%以及-30%时,开关电源直流电流输出波形如图10所示。可以看出,交流电源某一相的电压跌落会改变开关电源直流电流输出,且电流改变的幅值随交流电源电压跌落幅值的增加而增加。

2.3.2两相电压暂降

若同时将A、B相电压降低40 V,在0.1～0.3 s时开关电源的直流电流平均值与交流电源A相电压降低80 V时情况相近,但电流平均值稍有减小(见图11)。

2.3.3三相电压暂降

若同时将A、B、C相电压降低40 V,在0.1～0.3 s时开关电源的直流电流平均值与交流电源A相电压降低120 V时情况相近,但电流平均值稍有增加(见图12)。

图10 A相电压降低对开关电源直流电流输出波形的影响Fig.10 Effect of A phase voltage drop on DC current output waveform of switch power supply

图11 A、B相电压同时降低40 V与A相电压降低80 V时直流电流输出波形Fig.11 DC current output waveform when A and B phase fall 40 V and A phase falls 80 V

2.3.4一相电压暂降、一相电压暂升

(1)暂降幅值等于暂升幅值

若将A相电压降低40 V,B相电压升高40 V,在0.1～0.3 s时开关电源的直流电流平均值与交流电源电压未发生变化时相同,但电流平均值稍有增加(见图13)。

(2)暂降幅值高于暂升幅值

若将A相电压降低100 V,B相电压升高40 V,在0.1～0.3 s时开关电源的直流电流平均值与交流电源A相电压降低60 V时情况相近,但电流平均值略有增加(见图14)。

图12 A、B、C相电压同时降低40 V与A相电压降低120 V时直流电流输出波形Fig.12 DC current output waveform when A,B and C phase fall 40 V and A phase falls 120 V

图13 A相电压降低40 V、B相电压升高40 V与交流电压未发生变化时直流电流输出波形Fig.13 DC current output waveform when A phase falls 40 V and B phase raises 40 V and AC voltage does not vary

图14 A相电压降低100 V、B相电压升高40 V与A相电压降低60 V时直流电流输出波形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)暂降幅值低于暂升幅值

若将A相电压降低40 V,B相电压升高100 V,在0.1～0.3 s时开关电源的直流电流平均值与交流电源B相电压升高60 V时情况相近,但电流平均值稍有增加(见图15)。

图15 A相电压降低40 V、B相电压升高100 V与B相电压升高60 V时直流电流输出波形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 结语

本文结合Matlab环境下GUIDE图形界面设计工具和Simulink工具,建立了用于研究暂态电能质量对电梯系统影响的仿真系统。在电压变化条件下的仿真结果表明,该仿真系统便于设定参数和修改仿真模型,易于观察电压变化对变频器和开关电源输出的影响。

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