基于PLECS的三相兩電平變流器仿真實驗設(shè)計

嚴慶增, 孫鵬霄, 趙仁德

(中國石油大學(xué)(華東) 信息與控制工程學(xué)院, 山東 青島 266580)

三相兩電平變流器是新能源發(fā)電、不間斷供電電源、電力拖動等系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換核心和關(guān)鍵設(shè)備,關(guān)乎整個系統(tǒng)的使用壽命[1]。在高校開設(shè)的“電力電子技術(shù)”“太陽能發(fā)電技術(shù)”“風(fēng)力發(fā)電技術(shù)”等電氣工程專業(yè)課程中[2-4],均涉及三相兩電平變流器的拓撲結(jié)構(gòu)、調(diào)制和控制。在傳統(tǒng)教學(xué)中,采用Matlab/Simulink進行控制和調(diào)制方式仿真時,往往忽略變流器本身的損耗和發(fā)熱問題；而在電力電子系統(tǒng)設(shè)計中,對于變流器電力電子器件進行損耗和散熱評估,對于保證整個系統(tǒng)的高效、長期、可靠運行十分重要[5-6]。

變流器的損耗和熱分析理論概念抽象,在教學(xué)中直接進行推導(dǎo)計算,學(xué)生往往難以理解。本文利用系統(tǒng)級電力電子仿真軟件PLECS特有的損耗和熱分析功能,設(shè)計了三相兩電平變流器仿真實驗,采用正弦脈寬調(diào)制方法(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)[7]控制電力電子器件通斷,將直流側(cè)電源功率變換至交流側(cè)阻感負載。在仿真模型中輸入電力電子器件的通態(tài)和開關(guān)特性,采用周期平均模塊獲得通態(tài)損耗,通過脈沖平均模塊獲得開關(guān)損耗,連接散熱器模塊進行溫升分析。為使仿真實驗教學(xué)與理論教學(xué)相呼應(yīng),進一步建立了變流器損耗數(shù)學(xué)模型,在不同調(diào)制度、開關(guān)頻率和電流幅值條件下,對比仿真實驗和計算結(jié)果的誤差。

1 PLECS仿真軟件的特點

PLECS是瑞士Plexim GmbH公司開發(fā)的系統(tǒng)級電力電子仿真軟件,尤其適用于電力電子和傳動系統(tǒng)的電路與控制仿真。PLECS操作界面友好,波形分析直觀、精確、快速,被譽為“全球最專業(yè)的電力電子系統(tǒng)模擬工具”[8]。PLECS具有獨特的熱分析功能,設(shè)計者可根據(jù)實際情況定義每個電力電子器件的通態(tài)和開關(guān)損耗特性,并使用熱電阻和熱電容模擬實際系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)。通過變流器熱模型仿真實驗，可以優(yōu)化散熱器設(shè)計、降低整機成本。

PLECS分為嵌套和獨立兩種版本。嵌套版PLECS作為Matlab/Simulink元件庫中的一個模塊,能夠與其他模塊實現(xiàn)無縫兼容;獨立版PLECS與Matlab/Simulink類似[9-10],含有控制元件庫和電路元件庫,可以通過優(yōu)化解析方法,獲得更快的仿真速度。為簡化教學(xué)過程,本文將獨立版PLECS應(yīng)用于三相兩電平變流器的仿真實驗教學(xué)中。

2 仿真實驗設(shè)計

三相兩電平變流器的主電路如圖1所示。其中,Vdc和Cdc分別為直流母線的電壓和電容,Ra、Rb、Rc為三相負載電阻,La、Lb、Lc為三相負載電感,T1—T6為IGBT開關(guān)器件。為敘述方便,將T1—T6對應(yīng)的反并聯(lián)二極管用D1—D6表示。通過控制IGBT的開通和關(guān)斷,可以實現(xiàn)交流電與直流電的變換。

圖1 三相兩電平變流器的主電路結(jié)構(gòu)

IGBT損耗包括通態(tài)損耗和開關(guān)損耗,其中開關(guān)損耗又分為開通損耗和關(guān)斷損耗。由于IGBT使用時一般需要與二極管反并聯(lián),構(gòu)成逆導(dǎo)開關(guān),故使用自帶反并聯(lián)二極管的IGBT模塊。反并聯(lián)二極管同樣具有通態(tài)損耗,并且由于其電荷的存儲效應(yīng),需要考慮反向恢復(fù)損耗[2]。

為研究三相兩電平變流器的損耗并進行熱分析,在PLECS中搭建如圖2(a)所示的開環(huán)控制系統(tǒng)仿真模型。仿真模型包括調(diào)制波給定模塊、直流電源模塊、三相橋臂模塊、三相阻感負載模塊和SPWM模塊。通過SPWM模塊控制三相橋臂中的IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷,將直流電逆變至三相阻感負載。采用電壓表、電流表和示波器觀察電壓和電流波形。

在圖2(b)所示的三相橋臂模塊中,包含6只IGBT和反并聯(lián)二極管。為通過仿真獲得其通態(tài)損耗和開關(guān)損耗,需要根據(jù)器件手冊設(shè)定IGBT溝道通態(tài)特性、IGBT開通能量、IGBT關(guān)斷能量、反并聯(lián)二極管的通態(tài)特性、反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)能量。

圖2 三相兩電平變流器PLECS仿真實驗?zāi)Ｐ?/p>

本文選取SEMIKRON公司的IGBT功率模塊SK60GB128(60 A/1200 V),根據(jù)數(shù)據(jù)手冊中的通態(tài)和開關(guān)特性,設(shè)定PLECS仿真實驗?zāi)Ｐ椭械钠骷p耗模型屬性。

采用以下參數(shù)進行仿真實驗：

(1) 調(diào)制度M：0.9

(2) 開關(guān)頻率f：10 kHz

(3) 直流電壓Vdc：600 V

(4) 交流電流幅值Icm：60 A

(5) 負載電感L：3 mH

(6) 負載電阻R：4.5 Ω

(7) 功率因數(shù)角φ：11.8°

圖3給出了IGBT溝道通態(tài)特性和開通能量設(shè)定界面圖,設(shè)置時需要特別注意電壓和電流的極性。

圖3 IGBT的通態(tài)特性和開通能量設(shè)定界面

采用周期平均模塊獲得通態(tài)損耗,通過脈沖平均模塊獲得開關(guān)損耗。獲得每只IGBT的通態(tài)和開關(guān)損耗及反并聯(lián)二極管的通態(tài)和反向恢復(fù)損耗，如圖4所示。為觀察器件損耗導(dǎo)致的散熱器溫升,散熱器模塊通過熱電阻和熱電容組成的熱鏈與外界環(huán)境恒溫源連接。一方面,開關(guān)器件的損耗使散熱器溫度升高;另一方面,散熱器通過熱鏈將熱量散發(fā)到外界環(huán)境中。通過模擬實際工程中散熱器與開關(guān)器件和周圍環(huán)境的熱交換過程可知,當(dāng)熱交換達到平衡時,散熱器將最終穩(wěn)定在某一溫度。在圖5所示的散熱器溫升曲線圖中,60 s之后散熱器溫度基本穩(wěn)定在42.7 ℃。通過在PLECS中設(shè)置器件通態(tài)和開關(guān)能量特性,添加散熱器,可以使學(xué)生更深層地認識電力電子器件損耗和發(fā)熱的本質(zhì)問題。

圖4 IGBT和反并聯(lián)二極管的損耗

圖5 散熱器溫升曲線圖

3 變流器損耗計算

將通過理論計算獲得器件的各部分損耗與PLECS仿真實驗結(jié)果進行了對比和相互驗證。

3.1 IGBT及反并聯(lián)二極管的平均通態(tài)損耗計算

由于IGBT及其反并聯(lián)二極管均具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng),導(dǎo)致其正向通態(tài)壓降呈現(xiàn)非線性。兩者的正向通態(tài)壓降可以近似表示為

(1)

式中,vCE為器件正向通態(tài)壓降,VCE0為器件通態(tài)起始壓降,VCEN為器件在通態(tài)電流為ICN時的壓降,r0為線性區(qū)的等效通態(tài)電阻,ic為器件通態(tài)電流[11-14]。

設(shè)負載電流為正弦波,則IGBT及其反并聯(lián)二極管在一個開關(guān)周期T0內(nèi)的平均通態(tài)損耗可表示為

(2)

式中,ICM為負載電流幅值,ω為電流ic的角頻率。將式(1)代入式(2),得

(3)

式中,f(ωt)為調(diào)制函數(shù),用以表示器件在一個開關(guān)周期的導(dǎo)通占空比,積分區(qū)間θ1和θ2取決于如圖6所示的器件導(dǎo)通區(qū)間。

圖6 與電壓和電流方向相關(guān)的器件導(dǎo)通區(qū)間

3.2 IGBT的平均開關(guān)損耗及其反并聯(lián)二極管的平均反向恢復(fù)損耗計算

在器件手冊中可以查得IGBT的開關(guān)能量曲線及其反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)能量曲線,這部分能量可近似擬合為以下一元二次函數(shù)：

(4)

式中,A0、B0、C0為一元二次函數(shù)的系數(shù)。

在一個工頻基波周期內(nèi),IGBT的平均開關(guān)損耗及其反并聯(lián)二極管的平均反向恢復(fù)損耗可表示為

(5)

式中,fs為開關(guān)頻率。

4 仿真實驗與計算結(jié)果對比分析

基于上述仿真實驗與數(shù)學(xué)模型,在不同調(diào)制度、開關(guān)頻率和電流幅值下獲得仿真實驗與計算結(jié)果如表1、表2和表3所示。對比變流器各個運行情況下的仿真實驗與計算結(jié)果可知,兩種方法獲得的各部分損耗誤差均小于4%,從而相互驗證了彼此的正確性。

采用理論計算結(jié)果與仿真實驗結(jié)果對比,能夠達到理論教學(xué)與仿真實驗教學(xué)相呼應(yīng)的目的。一方面,使學(xué)生了解損耗仿真實驗?zāi)Ｐ偷谋举|(zhì);另一方面,也能夠使學(xué)生加深對變流器的損耗和熱分析理論的理解。

表1 損耗仿真實驗與計算結(jié)果對比情況一

注：運行條件M=0.9,f=10 kHz,Icm=60 A,φ=11.8°,Vdc=600 V

表2 損耗仿真實驗與計算結(jié)果對比情況二

注：運行條件M=0.7,f=10 kHz,Icm=46.6 A,φ=11.8°,Vdc=600 V

表3 損耗仿真實驗與計算結(jié)果對比情況三

注：運行條件M=0.9,f=20 kHz,Icm=60 A,φ=11.8°,Vdc=600 V

5 結(jié)語

通過基于PLECS的三相兩電平變流器損耗與溫升仿真實驗說明,將PLECS用于“電力電子技術(shù)”“太陽能發(fā)電技術(shù)”“風(fēng)力發(fā)電技術(shù)”等電氣工程專業(yè)課的仿真實驗教學(xué),可以達到如下教學(xué)效果：

(1) PLECS軟件可以直觀、形象地展示損耗和熱分析,使學(xué)生更容易理解和接受;

(2) 彌補了現(xiàn)有教學(xué)中忽略變流器損耗和發(fā)熱的不足,有利于提高學(xué)生認知和解決實際工程問題的能力;

(3) 仿真實驗與理論計算相呼應(yīng),可以使學(xué)生加深對變流器損耗產(chǎn)生機理的理解,鞏固和加強了理論教學(xué)的效果。