Этот пример показывает влияние мертвого времени на гармоническое искажение двухуровневого конвертера, используемого в микротурбине мощностью 50 кВт.
Схема представляет модуль преобразования постоянного тока в переменный ток микротурбины мощностью 480 В, 50 кВт, соединенной с степенью 600 В. Поскольку цель этого примера состоит в том, чтобы проиллюстрировать высокие частоты гармоники, генерируемые инвертором, медленная динамика газовой турбины и генератора с постоянными магнитами не представлены. Группа Turbine-Generator-Rectifier моделируется как простой источник постоянного тока, инжектирующий требуемую степень постоянного тока в шину постоянного тока. Инвертор использует двухуровневый IGBT-преобразователь PWM (с использованием блока Universal Bridge). Модулятор SPWM использует несущую частоту 15 кГц. Система управления использует два регулятора: внутренний цикл тока, управляющий током на шине B2 и внешний регулятор напряжения постоянного тока, регулирующий напряжение шины постоянного тока. Фильтры LC используются для уменьшения гармонических напряжений, создаваемых на шине B2 480 В (гармонические частоты вокруг кратных 15 кГц). Обратите внимание, что сопротивление 1 Ом соединено последовательно с конденсаторами 30 uF шунтируемых фильтров. Эти сопротивления используются для сырости не характерных низкочастотных гармоник, возникающих из-за резонанса, введенного 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 практичных VSC отключение полупроводниковых переключателей задерживается из-за эффекта хранения. Поэтому требуется задержка в несколько микросекунд (время хранения + запас прочности), чтобы обеспечить полное исчезновение IGBT, который выключается перед включением другого IGBT. В противном случае на шине постоянного тока может возникнуть короткая схема. Время отключения моделируется введением блока On/Off Delay на импульсный вход блока преобразователя. Задержка, заданная в этом блоке, применяется к восходящим ребрам импульсов.
В порядок получения приемлемой точности с частотой переключения 15 кГц для дискретизации схемы используется шаг расчета Ts_Power= 0,5 микросекунды. Дискретная система управления использует намного больше шаг расчета (Ts_Control=50 микросекунд)
1. Симуляция с нулем мертвого времени
Запустите симуляцию и наблюдайте напряжения, ток, степень и сигналы управления на блоке Scope. Симуляция была автоматически инициализирована, чтобы начать в установившемся состоянии. Текущее Iq_ref квадратурной оси установлено таким образом, чтобы нуль внутри токового контроллера порядка чтобы сгенерировать степень с коэффициентом степени единицы. Поэтому напряжение и ток на шине B2 (трассировка 1) находятся в фазе. Напряжение постоянного тока (трассировка 4) регулируется на 900 В. На трассировке 3 можно наблюдать потребность в степени (установленной на номинальной степени 50 кВт) и измеренную выходную степень на шине B2 (49 кВт, из-за потерь 1 кВт в конвертере и фильтрах).
После завершения симуляции откройте Powergui и выберите «FFT Analysis», чтобы отобразить частотный спектр сигналов, сохраненных в структуре ScopeData (переменная, заданная в блоке Scope). Убедитесь, что выбраны входные VaIa_B2 (pu) и сигнал номер 1. БПФ будет выполняться на последнем цикле напряжения фазы А на шине B2. Затем нажмите отображение, чтобы наблюдать спектр частот 0-50000 Гц. Как ожидалось, гармоники наблюдаются в основном вокруг кратных частот переключения (15 кГц). Полное гармоническое искажение (THD) отображается выше спектра (THD = 0,75%). THD также измеряется во время симуляции блоком «Discrete THD» (трассировка 5 из Scope1)
2. Влияние мертвого времени на гармоническое искажение
Теперь переместите ручной переключатель в его верхнее положение, чтобы применить мертвое время 1 микросекунда к импульсам включения. Повторите симуляцию и анализ БПФ для мертвых времен до 3 микросекунд. Вы отметите увеличение THD, когда время смерти увеличивается. Результаты частотного анализа обобщены в таблице, показанной на модели, для мертвых моментов времени, составляющих от нуля до 3 микросекунд. Эта таблица указывает, что амплитуда основных характеристических частот (около 15 кГц) не изменяется значительно, когда время трения увеличивается. Увеличение ТГД вызвано в основном внедрением низкочастотных гармоник (в основном 5-й, 7-й и 11-й). За время смерти 3 нас THD увеличений от 0,74% до 1,75%. Таблица также указывает, что индекс модуляции увеличивается, когда время простоя увеличивается, что указывает на менее эффективное использование постоянного напряжения. При напряжении постоянного тока 900 В, если бы время смерти было увеличено выше 3 нас, индекс модуляции был бы выше 1, и было бы введено дополнительное искажение из-за чрезмерной модуляции. Можно проверить гармоническое искажение для различных выходов степени и рабочих напряжений постоянного тока путем определения новых значений 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». Когда вы открываете эту модель, коллбэк InitFcn (в свойствах модели/обратных вызовах) автоматически загружает в вашу рабочую область содержимое этого .mat файла (переменная «xInitial»).
Если вы измените эту модель или измените значения параметров компонентов степени, начальные условия, сохраненные в переменной «xInitial», перестанут быть действительными, и Simulink ® выдаст сообщение об ошибке. Чтобы регенерировать начальные условия для измененной модели, выполните следующие шаги:
1. В меню Simulation/Configuration Parameters/Data Import/Export Parameters снимите флажок «Initial state».
2. Измените время остановки симуляции на 1 секунду. Обратите внимание, что в порядок генерации начальных условий, когерентных с углом фазы источника напряжения 60 Гц, время остановки должно иметь целое число 60 Гц циклов.
3. Смените режим симуляции с «Normal» на «Accelerator».
4. Запустите симуляцию. Когда симуляция завершена, проверьте, что устойчивое состояние достигнуто, посмотрев на формы волны, отображенные на возможностях. Конечные состояния, которые были сохранены в структуре «xFinal» со временем, могут использоваться в качестве начальных состояний для будущих симуляций. 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 File- > Свойства модели - > Коллбэки - > 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 вашу рабочую область.
6. В меню Simulation - > Параметры Конфигурации выберите «Initial state».
7. Запустите симуляцию и проверьте, что ваша модель начинается в установившемся состоянии.
8. Измените Simulation Время Остановки и Simulation Mode на их исходные значения (0,2 секунды, Normal).
9. Сохраните модель.