波浪能发电装置电能控制器的研究

张 碧 娜

(锦州师范高等专科学校, 辽宁 锦州 121000)

0 引 言

由于波浪是非线性的、随机的,随着海况不同,浪高和频率都是时刻变化的[1]。难点在于将发电机发出的不稳定变化的电能转化为可入网的连续的优质电能[2]。在早期的换流电路中,采用最多的是晶闸管整流控制电路,该装置的功率因数会随着触发角的增加而降低,这样不仅会出现谐波,也增加了整个系统中无功功率的消耗。同时,这种“谐波污染”会使电压波形发生畸变,还会引起线路障和器件的损坏。

文中提到的基于面积等效原理[3]的脉宽调制技术PMW(Pulse Width Modulation),可以通过控制交流侧的电压和电流来控制输出侧的直流电压和电流。PWM整流器的主要特点是能控制整流器网侧的功率因数和正弦波形,同时满足整流器的预期输出。在某些特定情况甚至可以让电能双向传输。与其他具有谐波抑制和无功补偿功能装置相比,PWM整流器原理是从源头上降低了对网侧的“谐波污染”,因此是一种事先谐波抑制和无功补偿的理想器件[4]。针对这个课题的重点,本文提出电压、电流双闭环的PWM整流电路方案,目的是消除系统存在的大量谐波,使得电能转换系统稳定处于低谐波、功率因数近似于1的状态。

1 校正功率因数原理

校正功率因数可以提高电网设备的利用率,提高的值可以提高有功功率的占比,同时也可以增加输电线路的安全性,改善电网的电压质量[5]。

1.1 功率因数的定义

功率因数用于表示交流(AC)电源的有效利用率,它的数学定义是有功功率P与表观功率S之比,即

(1)

1.2 总谐波失真系数(THD)与功率因数的关系

输入电流的方均根值(即有效值)的计算公式为

(2)

其中n为次谐波的有效值。

总谐波失真率THD为

(3)

有

由式(1)可知,提高功率因数要符合两个必需的标准:

第1个是要使输入侧电流与电压相位相同,即cosφ=1,第2个是要消除谐波,使输入电流逼近正弦波,即γ≈1。

2 单相Boost-PFC电路

图1 单相Boost-PFC整流器结构图Fig.1 Structure of single-phase Boost-PFC rectifier

有源功率因数校正(APFC)可以作为高频整流电路来提高功率因数。APFC电路通常有两个控制回路:内回路允许输入电流与整流器之后的电压波形相同,称为电流环。外回路可以保持输出电压稳定,称为电压环[6]。原理是在原来的整流电路基础上加入有源器件,这样交流侧电流波形会实现一定程度的正弦化,使系统频率和相位归一化。最基本的单相APFC电路是在整流电路和滤波电容之间增加DC/DC转换电路。大多采用Boost电路,通过调整Boost电路中二级管的通断,输入电流会自动跟踪监督电压的波形,也就是将输入电流的波形尽量变成与输入电压相位一致的正弦波,且整个电路的阻抗为纯阻性。这样就避免了谐波干扰,能得到稳定的输出电压,而且PF值会越来越接近1。其电路图如图1所示。

在图1中,我们只要满足以下几个条件:开关频率足够高、输入电容C足够大、流过电感L的电流连续、输入电压U0是定值、电源电压Ui波形正弦波,即Ui=Um·sinϖt。则整个电路的输入电压 就可看做是标准的正弦半波,即Ud=|U1|=Um|sinϖt|。当开关管Q导通时,Ud向L充电,C向负载供电,此时电感电流IL变大。当Q关断、二极管D导通时,电感L两端电压UL反向,Ud和UL对电容供电,电感电流IL变小。

由于Boost变换器的驱动控制电路设计与整个电路所要求达到的功率值几乎无关。例如,一个功率在3000W以上的PFC电路与一个功率为50W的PFC电路控制器几乎相同。所以,依据设定好的设计指标,仅需把输入端电压的最大最小值及其频率范围、最大输出功率等都先确定出来。

2.1 升压电感的选择

输入侧电流值取决于电感值L,峰值纹波电流值通常为最大峰值电流的20%[7]。因此,只要先计算出最大峰值电流,再进一步逆向推出纹波电流大小就可以选择出合适的电感值。

输入正弦电流的最大峰值出现在最小电网电压的峰值处[8]:

(4)

本设计的输出功率为1 kW,最小电网电压为100 V,代入上式计算得最大峰值电流Ipk为14.14 A。进一步得纹波电流峰峰值:ΔI=0.2×14.14=2.828 A。

工作频率的选择一般与功率器件、效率、输出功率等级都有关系。如上文假设满足的条件通常开关频率必须得够高才能保证变换效率。对于本文的设计,折中且为了计算方便考虑,采用100 kHz频率的开关。电感值根据最低半波整流电压的峰值、在此峰值电压时的占空比D以及开关的频率来共同选择[8]:

(5)

Vin=1.414×100=141.4 Vfs=100 kHz

由上列公式可得L=0.89 mH,取整为1 mH。

2.2 电容C的选取

输出电容值的选择主要由直流输出电压、纹波开关电流和维持时间等多种因素共同决定。本文的设计中,主要考虑的是维持时间。它指的是输入端电网电压置零后,输出电压仍能维持在要求范围以内的时间,一般情况该时长为15～50 ms[9]。维持时长是跟输出电容、输出电压、负载最低工作电压等参数相关的函数。本文系统中的维持时间对电容值的要求为每瓦输出1～2 μF。输出电容计算公式如下[9]:

(6)

上式中Pout=1 kW,Δt=50ms,V0(min)=300 V,求得C0=312.5 μF,这里选用320 μF的电解电容。

2.3 开关管和二极管的选择

在本文电路中我们选用的是快速型的高压二极管,查阅手册可知它的击穿电压是600 V,反向恢复时间为35 ns,正向额定电流为8 A。

3 PWM跟踪控制策略分析

为了达到预期的效果,本文采用了具有电流反馈和电压反馈功能的双闭环控制系统。同时采用了滞环控制方式,可实现对电流快速跟踪检测的目的。滞环PMW电路对电流的响应快,跟踪的误差与滞环宽度有关,不随电流变化。图2为单相Boost-PFC整流框图。

图2 单相Boost-PFC整流电路滞环比较法控制策略Fig.2 hysteresis comparison control strategy for single phase Boost-PFC rectifier circuit

电流环采用滞环控制方法,通过控制开关管Q的通断,实际的电感电流就会自动跟踪。根据电感电流的公式,当开关Q接通时电感电流增加,当开关Q关断时电感电流下降。通过滞环控制方法,可以保证实际的电感电流在的附近波动,波动幅度的大小跟滞环的宽度有密切关系,即和预先给出的Δmax和Δmin固定值有关。

4 单相Boost-PFC整流电路Mtalab仿真

为了验证前文所阐述的单相Boost-PFC整流器的基本原理、双闭环控制策略、以及直流母线电压纹波抑制等理论在此课题中的正确性和最终效果,本章基于 Matlab/Simulink平台进行了整个发电加转换装置的仿真分析。Simulink可以改变元件参数或增加减少元件来得到不同的结果,非常直观方便,正确率高[10-12]。

4.1 仿真器件的选择

在平台中SimPowerSystems模块里选择仿真器件,主要元件有:Powergui工作环境、滞环比较器(Relay)、单相交流电源、整流桥电路(Universal Bridge)、PID Control(PID控制器)、Mosfet(场效应晶体管)、Diode(普通二极管)、Discrete Mean value(离散平均值测量器)、Scope(示波器)、Gain(滤波器)、Product(乘法器)、Divide(除法器)、Constant(输入给定值)、Display(显示器)等等。

4.2 仿真时系统各参数设置

主要的参数如下:

1) 输入电压(网侧电压)为220 V。

2) 频率为50 Hz。

3) 输出电压参考值为500 V。

4) 电感值为6 MH。

5) 电容值C为320 μF。

6) DC侧的负载电阻为160 Ω。

7) 整流桥系统中的参数:Rs=1e-6F、Cs=1e-6F、Ron=0。

8) 开关管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电路中元件参数:Ron=0.001 Ω,Lon=0,Vf=0.8 V,Ic=0,Rs=500 Ω,Cs=250e-9F。

10) 电压外环Kvp=0.02,Kvi=5。

从下面图3和图4中可以明显看出,该模拟电路稳定运行时,交流侧电流是与输出电压相位相同的正弦波。稳定之后的功率因数也在0.995左右,基本接近1。

图3 输出电压波形和电流波形图Fig.3 Output voltage waveform and current waveform

图4 交流侧功率因数Fig.4 Power factor of AC side

5 结 论

6 展 望

该文章是整个研究过程的一部分,可以对Simulink模型配置、参数选择继续进行研究,进行优化。在今后可以采用简单的LC串联谐振电路滤除特定的高次谐波。该文章只简单介绍了单相控制器的功率因数的修正,在今后希望可以拓展到三相控制电路当中,也可以推广到大容量的电力系统当中。还可以在现在的数字控制电路基础上,将PFC控制系统与其他部分结合起来,如DC-DC或DC-AC变换器等,实现对电源整体的数控制。