Journal of Electrical Engineering
Vol.05 No.02(2017), Article ID:20902,7 pages
10.12677/JEE.2017.52019

Design and Simulation of Grid-Connected Rectifier and Boost Control Circuit for Micro-Turbine

Jiangang Du1, Li Liu2, Ming Cheng3

1State Grid Chengdu Electric Power Supply Company, Chengdu Sichuan

2State Grid Chengdu Longquanyi Power Supply Company, Chengdu Sichuan

3School of Electrical and Information Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu Sichuan

Received: May 19th, 2017; accepted: Jun. 6th, 2017; published: Jun. 9th, 2017

ABSTRACT

In this paper, the design and simulation of the micro-turbine grid-connected rectification and boost control circuit are carried out. Rectifier system selected voltage-type PWM rectifier (VSR), the proposed model includes input filter inductors (Reactor), rectifier bridge (Three-Level Bridge Rectifier), rectifier controller and DC filter capacitor (C1, C2). The chopping circuit of this research topic is the step-up Boost chopper circuit, the voltage regulator for the outer ring control, and current inner ring can be based on, value to control the current, in order to achieve the ra- pid adjustment of the AC side of the current role. Boost Controller module is mainly through the generation of appropriate control pulse signal, thus controlling the control switch Mosfet off, and ultimately achieving the purpose of adjusting the output voltage. The simulation results show that the design of the rectifier circuit and the boost control circuit output voltage waveform stability is excellent.

Keywords:Micro-Turbine, Grid-Connected, Rectification, Boost Control

微型燃气轮机并网整流与升压控制回路设计 与仿真

都健刚1,刘莉2,程铭3

1国家电网成都供电公司,四川 成都

2国网成都市龙泉驿供电公司,四川 成都

3西南石油大学电气信息学院,四川 成都

收稿日期:2017年5月19日;录用日期:2017年6月6日;发布日期:2017年6月9日

摘 要

本文对微型燃气轮机并网整流与升压控制回路进行了设计与仿真。整流部分(Rectifier system)选用电压型PWM整流器(VSR),所搭建模型主要包括输入滤波电感(Reactor)、整流桥(Three-Level Bridge Rectifier)、整流控制器(Rectifier Controller)和直流滤波电容(C1, C2)。本次研究课题的斩波电路选用的是升压Boost斩波电路,将电压调节器用作外环控制,电流内环则根据的值来控制电流,从而实现对交流侧电流的快速调节作用。Boost Controller模块主要是通过产生合适的控制脉冲信号来控制可控开关Mosfet的通断,最终实现调节输出电压的目的。仿真结果表明本文设计的整流电路与升压控制回路输出电压波形稳定性优良。

关键词 :微型燃气轮机,并网,整流,升压控制

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1. 引言

微型燃气轮机是一类新近发展起来的小型热力发动机,其单机功率范围为25~300 kW [1] 。基本技术特征是采用径流式叶轮机械(向心式透平和离心式压气机)以及回热循环,结构简单,安装方便。微型燃气轮机除了分布式发电外,还可用于备用电站、热电联产、并网发电、尖峰负荷发电等,是提供清洁、可靠、高质量、多用途、小型分布式发电及热电联供的最佳方式,无论在中心城市还是远郊农村甚至边远地区均能适用。目前微型燃气轮机主要分两种结构:一种是单轴结构,发电机与涡轮通过同一转轴相连,由于转速较高,发电机需要通过变流装置转换为工频交流电;另外一种是分轴结构, 燃气涡轮与动力涡轮采用不同的转轴, 转速较低的动力涡轮通过变速齿轮与传统发电机相连, 可直接并网而不需额外增加变流装置 [2] 。

本文对微型燃气轮机并网整流与升压控制回路进行了设计与仿真。整流部分(Rectifier system)选用电压型PWM整流器(VSR)。斩波电路选用的是升压Boost斩波电路。Boost Controller模块主要是通过产生合适的控制脉冲信号来控制可控开关Mosfet的通断,最终实现调节输出电压的目的。

2. 整流模块搭建

2.1. 整流主电路模块(Rectifier system)搭建

PWM整流根据不同的分类方式可以分为各种不同的种类,但是最为基本的分类方法是根据其直流储能的形式来进行划分的,具体可以包括电压型PWM整流器以及电流型PWM整流器 [3] 。在本次模型中,整流部分(Rectifier system)选用电压型PWM整流器(VSR),由于VSR的直流侧是利用电容对输出直流进行储能,从而让其直流侧能够表现为,一种显示出低阻抗的电压源特性 [4] 。

所搭建模型如图1所示,主要包括输入滤波电感(Reactor)、整流桥(Three-Level Bridge Rectifier)、整流控制器(Rectifier Controller)、直流滤波电容(C1, C2)等。

2.2. 整流控制器模块(Rectifier Controller)搭建

整流控制器(Rectifier Controller)模块主要包括抗混叠滤波器(Anti-aliasing Filters)和双环控制模块(UI Controller),该模块主要功能是通过产生合适的控制脉冲信号,以达到输出稳定直流电压、单位输入功率因数以及交流电流正弦的目的。

抗混叠滤波器(Anti-aliasing Filters)的作用是能够有效的解决频率混叠的问题,从而使模拟信号可以更好的完成离散化采集过程;除此之外还能够对不需要的信号进行削弱与过滤;同时也能够针对ADC的转换过程中所生成的瞬态能量实现缓冲作用。其仿真模型如图2所示,其中将二阶滤波器(2nd-Order Filter)模块中的截止频率(Cut-Off frequency)参数设置为750 Hz。

控制器模块由锁相环(PLL)、dq变换单元(dq_transform)、直流电压控制环(Udc_Control)、交流电流控制环(Iac_control)等构成,其模型如图3所示。其中Udc_Control用于实现直流电压控制,Iac_control用于反馈解耦电流控制。利用坐标变换模块abc_to_dq0 Transformation,以实现Vabc、Iabc从abc轴到dq0

Figure 1. Rectifier module main circuit module

图1. 整流模块主电路模块

Figure 2. Anti-aliasing Filters model

图2. Anti-aliasing Filters模型

轴之间的转换,最终得到VdVq、IdIq分量。其模型如图4所示。由于只需维持直流电压恒定,所以采用了一个PI环节实现,其输出作为电流d轴的输入给定,即,其中PI控制器中,Kp设置为0.5,Ki设置为50 (0.2 p_V < 0.8, 20 < K i_V < 300),Saturation模块中参数Upper Limit设置为12,Low Limit设置为−12其模型如图5所示。Iac_control是基于dq轴系实现的,通过引入状态反馈,来实现d、q轴独立控制,其中d轴用于控制有功,q轴用于控制无功。其模型如图6示。其中其中PI控制器中,K p设置为0.5,K i设置为50 (0.2 < K p_I < 0.8, 20 i_I < 300);Saturation模块中参数Upper Limit设置为750,Low Limit设置为10。Gain模块(即ωL)设置为0.04。PWM生成模块如图7所示。

2.3. 整流模块仿真分析

对整流模块进行仿真分析,其仿真结果图8所示,最终输出直流电压为540 V,有图形知输出波形较稳定,同时也说明了所搭建模型可行。

Figure 3. UI Controller model

图3. UI Controller模型

Figure 4. dq_transform model

图4. dq_transform模型

Figure 5. Udc_Control model

图5. Udc_Control模块

Figure 6. Iac_control model

图6. Iac_control模型

Figure 7. PWM generation model

图7. PWM生成模型

Figure 8. Udc waveform

图8. Udc波形

3. Boost模块搭建

直流–直流变换电路(DC-DCConverter)也叫做斩波电路(CD Chopper),是一种能够有效实现迅速、高频率控制开关通断动作功能的电路,其作用能够将输入的直流电变为可调电压的直流电或另一固定电压的直流电 [5] 。由于DC Chopper的种类繁多,其基本的分类可分为如下六种:降压斩波电路(Buck Chopper)、升压斩波电路(Boost Chopper)、升降压斩波电路(Buck-Boost Chopper) [6] 、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路、Zeta斩波电路。Buck和Boost斩波电路是最基本的两类。本次研究课题的斩波电路选用的是升压Boost斩波电路。其电路结构图如图9所示。主要由升压控制器(Boost Controller)、开关(Mosfet)、支撑电容C、

Figure 9. Boost main circuit model

图9. Boost主电路模型

Figure 10. Udc waveform after boost

图10. 升压后Udc波形

Figure 11. Idc waveform after boost

图11. 升压后Idc波形

电感L、Pulse Generator等构成。

Boost模块仿真分析对

对BOOST模块进行仿真分析,最终经升压后的输出直流电压如图10图11,有图形知输出波形较稳定,同时也说明了所搭建模型可行。

4. 结论

1) 对整流模块进行仿真分析,最终输出直流电压为540 V,输出波形较稳定,同时也说明了所搭建模型可行。

2) 对BOOST模块进行仿真分析,最终经升压后的输出直流电压波形较稳定,同时也说明了所搭建模型可行。

文章引用

都健刚,刘 莉,程 铭. 微型燃气轮机并网整流与升压控制回路设计与仿真
Design and Simulation of Grid-Connected Rectifier and Boost Control Circuit for Micro-Turbine[J]. 电气工程, 2017, 05(02): 160-166. http://dx.doi.org/10.12677/JEE.2017.52019

参考文献 (References)

  1. 1. 宋明玉, 曾成碧. 微型燃气轮机发电系统并网运行和孤网运行仿真[J]. 现代电力, 2010, 27(5): 72-75.

  2. 2. 王成山, 马力, 郭力. 微网中两种典型微型燃气轮机运行特性比较[J]. 天津大学学报, 2009, 42(4): 316-321.

  3. 3. 薛超. PWM整流器控制系统的研究[D]: [硕士学位论文]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2006.

  4. 4. 张建华. 微电网运行控制与保护技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2010.

  5. 5. 刘绪斌. 浅谈电力电子技术的应用及其发展[J]. 中国电子商务, 2012(6): 145.

  6. 6. 殷明. 太阳能–市电互补LED路灯系统的设计[D]: [硕士学位论文]. 福州: 福建农林大学, 2014.

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