Этот пример показывает влияние мертвого времени на гармонические искажения двухуровневого преобразователя, используемого в микротурбине мощностью 50 кВт.
Схема представляет блок преобразования постоянного тока в переменного тока микротурбины 480 В, 50 кВт, подключенной к электросети 600 В. Поскольку целью этого примера является иллюстрация высокочастотных гармоник, генерируемых инвертором, медленная динамика газовой турбины и генератора постоянных магнитов не представлена. Группа турбогенераторов-выпрямителей моделируется как простой источник постоянного тока, вводящий требуемую мощность постоянного тока в шину постоянного тока. Инвертор использует ШИМ, двухуровневый IGBT-преобразователь (с использованием блока Universal Bridge). Модулятор SPWM использует несущую частоту 15 кГц. Система управления использует два регулятора: внутренний токовый контур, управляющий током на шине B2, и внешний регулятор напряжения постоянного тока, управляющий напряжением шины постоянного тока. Фильтры LC используются для уменьшения гармонических напряжений, возникающих на B2 шины 480 В (гармонические частоты, кратные 15 кГц). Следует отметить, что сопротивления 1 Ом соединены последовательно с 30 uF конденсаторами шунтирующих фильтров. Эти сопротивления используются для гашения нехарактерных низкочастотных гармоник, возникающих в результате резонанса, вносимого LC-фильтрами (около 1,9 кГц).
В двухуровневом преобразователе напряжения (VSC), использующем идеальные переключатели, два импульса, посылаемые на верхний и нижний IGBT каждого рычага, могут быть комплементарными. Однако в практических VSC отключение полупроводниковых переключателей задерживается из-за эффекта запоминания. Следовательно, требуется задержка в несколько микросекунд (время хранения + запас прочности), чтобы обеспечить полное истечение IGBT, который выключается перед включением другого IGBT. В противном случае короткое замыкание может возникнуть на шине постоянного тока. Мертвое время моделируется введением блока задержки включения/выключения на импульсном входе блока преобразователя. Задержка, указанная в этом блоке, применяется на растущих фронтах импульсов.
Чтобы получить приемлемую точность с частотой переключения 15 кГц, для дискретизации схемы используется время выборки Ts_Power= 0,5 микросекунды. Система дискретного управления использует гораздо большее время выборки (Ts_Control=50 микросекунд)
1. Моделирование с нулевым временем покоя
Запустить моделирование и наблюдать за напряжением, током, мощностью и управляющими сигналами на блоке объема работ. Моделирование было автоматически инициализировано для запуска в установившемся состоянии. В контроллере тока Iq_ref тока по квадратурной оси устанавливают на ноль, чтобы генерировать мощность при единичном коэффициенте мощности. Поэтому напряжение и ток на шине B2 (дорожка 1) находятся в фазе. Напряжение постоянного тока (след 4) регулируется на уровне 900 В. На следе 3 можно наблюдать потребность в мощности (установленная при номинальной мощности 50 кВт) и измеренную выходную мощность на шине B2 (49 кВт, из-за потерь 1 кВт в преобразователе и фильтрах).
После завершения моделирования откройте Powergui и выберите «FFT Analysis» для отображения частотного спектра сигналов, сохраненных в структуре ScopeData (переменная, указанная в блоке Scope). Убедитесь, что выбраны входной VaIa_B2 (pu) и сигнал номер 1. БПФ будет выполняться на последнем цикле напряжения фазы А на шине B2. Затем нажмите Display для просмотра частотного спектра 0-50000 Гц. Как и ожидалось, гармоники наблюдаются в основном вокруг кратных частоты переключения (15 кГц). Суммарное гармоническое искажение (THD) отображается над спектром (THD = 0,75%). THD также измеряется при моделировании блоком «Дискретный THD» (след 5 Scope1)
2. Влияние мертвого времени на гармонические искажения
Теперь переместите ручной переключатель в его верхнее положение, чтобы применить время покоя 1 микросекунда к импульсам зажигания. Повторите моделирование и анализ БПФ для времени покоя до 3 микросекунд. Вы заметите увеличение THD при увеличении мертвого времени. Результаты частотного анализа суммированы в таблице, показанной на модели для мертвого времени, составляющего от нуля до 3 микросекунд. Эта таблица показывает, что амплитуда основных характеристических частот (около 15 кГц) существенно не изменяется при увеличении времени покоя. Увеличение THD вызвано в основном введением низкочастотных гармоник (в основном 5-й, 7-й и 11-й). За время покоя 3 нас THD увеличивается с 0,74% до 1,75%. Таблица также показывает, что индекс модуляции увеличивается, когда время покоя увеличивается, что указывает на менее эффективное использование постоянного напряжения. При напряжении 900 В постоянного тока, если время покоя будет увеличено выше 3%, индекс модуляции будет выше 1 и дополнительные искажения будут введены из-за чрезмерной модуляции. Можно проверить гармонические искажения для различных выходов питания и рабочих напряжений постоянного тока, указав новые значения в постоянном блоке «Power Demand» и в постоянном блоке «Vdc_ref» (внутри системы управления).
Начальные состояния, необходимые для запуска этой модели в установившемся состоянии, были сохранены в файле «power_microturbineDT.mat». При открытии этой модели обратный вызов InitFcn (в окне Свойства модели/обратные вызовы) автоматически загружает в рабочую область содержимое этого файла .mat (переменная xInitial).
Если изменить эту модель или значения параметров компонентов питания, исходные условия, сохраненные в переменной «xInitial», перестанут быть действительными, и Simulink ® выдаст сообщение об ошибке. Чтобы регенерировать исходные условия для измененной модели, выполните следующие действия.
1. В меню Simulation/Configuration Parameters/Data Import/Export Parameters снимите флажок «Initial state».
2. Измените время остановки моделирования на 1 секунду. Заметим, что для формирования начальных условий, когерентных с фазовым углом источника напряжения 60 Гц, время остановки должно быть целым числом циклов 60 Гц.
3. Измените режим моделирования с «Normal» на «Accelerator».
4. Начать моделирование. После завершения моделирования убедитесь, что достигнуто устойчивое состояние, просмотрев формы сигналов, отображаемые в области. Конечные состояния, сохраненные в структуре «xFinal» со временем, могут использоваться в качестве начальных состояний для будущего моделирования. Выполнение следующих двух команд копирует эти окончательные условия в «xInitial» и сохраняет эту переменную в новом файле (myModel_init.mat).
>> xInitial=xFinal;
>> save myModel_init xInitial
5. В окне Файл - > Свойства модели - > Обратные вызовы - > InitFcn измените имя файла инициализации с «power_microturbineDT.mat» на «myModel_init.mat.» При следующем открытии этой модели переменная xInitial, сохраненная в файле myModel_init.mat, будет загружена в рабочую область.
6. В меню Simulation - > Configuration Parameters выберите «Initial state».
7. Запустите моделирование и убедитесь, что модель запущена в установившемся состоянии.
8. Измените исходные значения параметров Время остановки моделирования и Режим моделирования (Simulation Stop Time and Simulation Mode) на 0,2 секунды (Normal).
9. Сохраните модель.