2020年国际期刊：电子负载控制器中的新型电流电压谐波分析与仿真验证

工程科学与技术，国际期刊23（2020）1042完整文章一种有效的新型电子负载控制器电流电压谐波Asad Alia，Mr.，Arshadb，Haroon Akhtarc，Muftooh Ur Mr.man Siddiqid，Muhammad Kamranea巴基斯坦白沙瓦新兴科学和信息技术大学CECOS电气工程系b巴基斯坦塔克西拉HITEC大学电气工程系c巴基斯坦瑙谢拉理工大学机械工程系d巴基斯坦白沙瓦新兴科学和信息大学CECOS机械工程系巴基斯坦白沙瓦大学电子系阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2019年2019年10月22日修订2019年11月30日接受在线发售2019年保留字：微型水电站电子负载控制器过零锁相环同步发电机A B S T R A C T本文提出了一种在电子负载控制器中有效地开关虚拟负载的技术。电子负载控制器是微型和微型水力发电机组的重要组成部分，为用户提供稳定和高质量的电力。输出电压的幅度和频率通过保持功耗等于产生的功率来保持稳定;这是通过电子开关打开和关闭多个虚拟负载来实现的。在目前的情况下，负载以随机的时间间隔打开和关闭，这会产生巨大的噪声、谐波和正弦电流和电压的瞬变。虚拟负载的随机切换在切换中损失了大量的能量，并且损坏了电子开关以及连接到系统的非线性负载。为了解决这个问题，我们已经研究了不同的情况，并得出结论，如果为此目的部署过零技术，将提高发电该系统在MATLAB/Simulink以及Proteus中进行了仿真基于Proteus软件模型制作了硬件电路，并将其频率图与MATLAB/Simulink仿真结果进行了对比验证。©2019 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍化石燃料的快速减少和常规能源的高生产成本推动了非常规能源的利用[1]。所有可再生能源都更便宜，更适合发电，但小型水力发电厂，特别是微型水力发电厂（MHPP），最适合提供电力。与大坝相比，MHPP所需的土建工作更少，效率也更高[2]。这些发电厂的电压和频率不会保持恒定，因为流入涡轮机的水流会发生变化，并且连接到发电机的用户负载也会发生变化[3]。产生的电压和频率的这种变化会损坏连接到发电机的消费者电子负载控制器（ELC）是一种专用电路，通过电子开关将发电机的剩余功率转换为虚拟负载，从而保持MHPP和隔离风力涡轮机的电压和频率恒定[5机械液压调速器（MHG）*通讯作者。电子邮件地址：engrasdali@gmail.com（A. Ali）。在常规发电厂中用于电压和频率控制的MHPP中没有使用，因为其成本高、体积大和技术专长要求[8]。涡轮机转速取决于水流的机械功率，发电机转速取决于连接到发电机的负载[9]。如果进入涡轮机的水流发生变化或连接到发电机的用户负载发生变化，则会导致发电机输出电压和频率的等效降低或增加【10】。ELC也称为固态电子设备，用于控制MHPP中使用的发电机的输出功率[6]。在恒定水流进入涡轮机的情况下，如果连接到发电机的用户负载减少或增加，则ELC通过打开和关闭虚拟负载来保持发电机上几乎恒定的负载。因此，在给定的恒定水输入下，发电机产生稳定的电压和频率。ELC的反应时间非常快，因为它通过电子开关打开和关闭虚拟负载[11]。ELC将频率和电压保持在约定值，无需操作员干预。在正弦波峰值处切换虚拟负载可能会产生高火花，从而损坏连接到发电机的电子开关和消费者负载【12】。此外，https://doi.org/10.1016/j.jestch.2019.11.0092215-0986/©2019 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchA. 阿里等 其他/工程 科学和 技术，国际期刊 23（2020）10421043¼发电机将不再保持纯正弦波[13]。本文提出了一种有效的技术，通过这种技术，在过零点切换虚拟负载将减少切换中的火花，并最大限度地减少对电器的损坏[14]。结果表明，在使用过零开关技术的情况下，连接到发电机的虚拟负载和用户负载中的纯正弦波。 图图1所示为带有ELC的发电站示意图，该ELC可使发电机保持满负荷。 在该图中 1、Q为出水量，H为水头。涡轮机产生机械能，发电机将机械能转化为电能，如P G所示。2. 数学计算机械动力（P机械）可从微型-水轮机的有效水头等于（H）和水的流速（Q），但实际上，涡轮机不是100%有效的，因此涡轮机功率（Pmech）减少了一个效率因子（gturb）【15】。P机制 1/4gturboqgHQ（Pmech）是涡轮机输入处的液压功率，用于驱动发电机。通常，同步发电机具有被称为转子的旋转电磁体，其在被称为定子的铁芯上缠绕成线圈的一组固定导体内旋转。当电磁铁提供的磁场由于来自涡轮机的机械输入功率而穿过导体时，在定子绕组中感应的交流（AC）导致转子转动。同步发电机产生的电功率（P）在数学上表示为涡轮机的机械功率，如[16]。P1/4ggenPmech2000其中，ggen表示发电机产生的频率（f）取决于同步速度（Ns）和极数（p）。N p图二. ELC图。3. 建议系统所 提 出 的 系 统 的 Simulink 模 型 包 含 一 台 100 kW 同 步 发 电 机（SG），连接到60 kW主负载和两个可变家用负载，如图3所示。10kW用户负载1通过三相断路器1在1秒时接通，在2秒时断开。类似地，20 kW家用负载_2使用3相断路器2从3秒接通到4秒。SG在持续输入机械功率下运行，但国内负荷的切换导致频率从设定值波动。ELC感应频率波动，并打开或关闭与其连接的假负载。发电机输出频率、电压、用户负载电流和镇流器负载电流如范围1所示。范围2显示发电功率、用户所需功率和虚拟负载功率。发电机输出用作ELC的输入，ELC将其输出提供给镇流器负载。拟议ELC设计的电源线路图如图所示。 四、3.1. 开关和虚拟负载simulink模型的虚拟负载块包含开关和电阻性负载，如图所示。五、交换机块获得的信号-fs120ð3Þnal，并且根据所接收的信号，接通或关断虚拟负载共8个开关，三相供电，由于ELC，发电功率（P）总是等于连接到发电机的负载消耗的功率（P cl）和虚拟负载功率（P dl），如图所示。 二、P �P于接通和断开八个三相假负载。虚拟负载具有各种功率。小功率假负载为2kW，其它为2kW的倍数，当测量频率与参考频率相差很小时，小功率假负载被接通。如果差异较大，则使用重假人Fig. 1. 带ELC的发电厂。1044A. Ali等/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1042图三. 拟用ELC设计的Simulink图。见图4。 拟用系统电源线路图。A. 阿里等 其他/工程 科学和 技术，国际期刊 23（2020）10421045图五. 开关和虚拟负载。1046A. Ali等/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1042见图6。开关.通过ELC打开负载。开关如图6所示，虚负载如图6所示。7.第一次会议。3.2. 电子负载控制器所提出的simulink模型的ELC块计算发电机输出频率，并将其与参考频率进行比较。在在发电频率与参考频率不同的情况下，在正弦波形的电流和电压的零结处接通和关断虚拟负载。ELC由锁相环（PLL）、比例积分微分（PID）控制器模块、代码脉冲模块和采样系统模块组成，如图所示见图8。PLL模块计算产生的电压频率并与50 Hz参考值匹配。 PLL模块输出提供给PID模块。PID控制器的比例部分增加了控制器的灵敏度，积分部分有助于稳定性，微分部分增加了控制器的响应。脉冲解码器模块接收来自PID控制器的信号，并将PID模拟图转换为数字脉冲。这些脉冲以二进制数的形式出现。当测量频率和参考频率的差很小时，产生一个小的二进制数。但在高差分的情况下，产生一个大的二进制数，并接通重虚负载，采样模块从脉冲解码模块获得信号。采样块包含零交叉部分，逻辑开关，选择器元件，如图9所示。过零元件检测正弦波AC波形何时达到零偏移值，其产生1个输出。当控制输入2高于阈值时，逻辑开关通过输入1;否则通过输入3。输入1和输入3是数据端口，输入2是控制端口。选择器指定多维输入信号的顺序。在采样模块的帮助下，多个虚拟负载在正弦波形的过零点处被打开和关闭。见图7。 假货。A. 阿里等 其他/工程 科学和 技术，国际期刊 23（2020）10421047见图8。 电子负载控制器。见图9。 采样块。1048A. Ali等/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1042见图10。 过零切换时的功率图。见图11。 随机开关功率图。A. 阿里等 其他/工程 科学和 技术，国际期刊 23（2020）10421049图12个。电压、频率和电流图，带过零ELC。图十三.电压、频率和电流图。4. 结果该系统在simulink中的仿真结果包括随机切换和过零切换图。将过零开关图与随机开关图进行了比较，确定过零开关消除了交流正弦波形中的尖峰、暂态和谐波在零交叉处的scope2结果如图所示。随机开关功率图如图10所示。 十一岁它包括发电机功率、用户负荷功率和虚拟负荷功率。发电功率显示在顶部，约为100千伏安。消费者负荷功率在此之后，约为70 kVA。10 kW负载1在1秒持续时间内从1秒开启到2秒，这导致消耗者总负载功率的增加。同样，负载2（即20 kVA）在3秒时接通，在4秒时断开，由于用户总功率增加，虚负载功率减小。这些负载的切换会导致发电机的速度和频率发生变化，发电机需要通过鲁棒的ELC电路来接通和断开虚拟负载。当负载1或负载2接通时，虚拟负载功率较小，但在负载1或负载2断开的情况下，虚拟负载功率增大。图12示出了过零技术下的电压、电流和频率曲线图，而图13示出了随机切换曲线图。发电机输出电压约为415 V1050A. Ali等/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1042图14. 虚拟负载电流过零切换放大图。图15. 虚拟负载电流随机切换放大图。（三相），基本负载的用户负载电流为166 A，但在10 kW负载1接通时增加到176 A，在负载2接通时变为186 A。由于ELC，用户负载电流下方所示的发电机输出频率约为50 Hz。虚拟负载电流从2A到34A变化，从而调节发电功率和用户负载功率。过零曲线平滑，为纯正弦波，而虚拟负载的随机切换引起发电机输出频率、电压和电流的谐波和尖峰。波形发电电压和用户负载电流的波形并不是一个纯正弦波，因为虚拟负载的开关是随机的。与示出过零切换的曲线图相比，频率也示出小的波动。为了更清楚地观察零交叉开关和随机开关差，下面对两者的放大图进行比较和讨论当发电机输出频率从50 Hz开始增加时，虚拟负载开始接通。图14显示了虚拟负载的过零切换，图14显示了虚拟负载的过零切换。 15、显示随机A. 阿里等 其他/工程 科学和 技术，国际期刊 23（2020）10421051图16. 1秒过零切换的更广视野图17. 1秒随机切换，视野更广。虚拟负载的切换。过零开关图显示了虚拟负载电流中的纯正弦波，而虚拟负载的随机开关显示了正弦波中的尖峰虚负载中的尖峰还引起损害用户电器的消费者负载电流中的尖峰由于频率的变化，虚拟负载被调谐打开和关闭，并且频率变化是由于产生的功率和消费者负载所需功率之间的差异。当用户负载_1在1秒时接通时，虚拟负载开始减少。图16给出了虚拟负载的过零开关的较宽视图，图16给出了随机开关图。 十七岁10 kW负载1在1秒时接通，1052A. Ali等/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1042图18. 放大过零时虚拟负载切换3秒的图形。图十九岁虚拟负载电流放大图在3秒随机切换。发电机输出频率从50 Hz下降，虚拟负载电流降低，以保持频率在设定值50 Hz。虚拟负载的过零点产生平滑的正弦波，而虚拟负载的随机切换产生尖峰、瞬态和谐波。用户负载2在3秒时接通，导致频率降低;因此，虚拟负载电流降低，以保持设定值下的生成频率，50 Hz。图18和图19分别给出了虚拟负载的过零开关和随机开关。过零开关产生纯正弦波，而虚拟负载的随机开关则显示电流尖峰。虚拟负载电流中的这些尖峰也会在用户负载电流中产生尖峰，这可能会导致连接该发电机的负载受损。A. 阿里等 其他/工程 科学和 技术，国际期刊 23（2020）10421053图20. 虚拟负载在4秒时的过零切换。图21. 在4秒内随机打开和关闭虚拟负载。消费者负载2在4秒时关闭，因此产生的功率大于消费者所需的功率。虚拟负载是用图1所示的过零技术接通的。 20. 在这种情况下，通过虚拟负载的电流显示为纯正弦波但是，当虚拟负载在4 s随机接通时，这在虚拟负载电流中产生尖峰，如图所示。 21岁所提出的系统总谐波失真（THD）与零交叉开关和随机开关的计算和图。分别是22和23。过零开关技术的总谐波失真为3.5%，而随机开关的总谐波失真为24.2%。这些曲线图验证了所提出的过零技术消除了发电机输出电压中的THD。1054A. Ali等/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1042图22. ELC过零THD图。图23. ELC随机开关THD图。5. Proteus模型所提出的系统在Proteus软件中设计，具有10 kVA发电机，如图24所示。计算发电机输出电压和频率，并与参考值进行比较。如果与参考值有差异，则打开和关闭虚拟负载。降压Transformer将220 V转换为9V。电阻器和电容器用于保持该9 V小于5VPin1Arduino Mega 2560controller.发生器的频率通过桥式整流器、光耦计算并提供给引脚13。三端双向可控硅开关用于作为虚拟负载打开和关闭热水器。与三端双向可控硅连接的发光二极管（LED）显示虚拟负载的切换。仿真结果表明，当发电机频率从50 Hz开始增加时，虚拟负载在正弦波形的过零点处被接通。20x4液晶显示屏显示发电机输出电压、电流、频率和功率。A. 阿里等 其他/工程 科学和 技术，国际期刊 23（2020）10421055图24. Proteus模型。所提出的ELC设计的框图如图所示。 二十五拟议ELC设计的主要组成部分包括：1. 电压和频率感测电路2. 一种恒流直流电源电路3. Arduino-mega 2560控制器、光耦和LCD显示器4. 虚拟负载电源电路5. 用户负载电路6. 硬件模型所提出的系统的实验模型是图26中所示的用于实验室测试的设计。Arduino mega 2560控制器用于将发电机输出电压和频率与参考值进行比较。当计算值大于参考值时，利用MOC3021和双向可控硅开关在正弦波过零点处开通虚拟负载使用9 V降压Transformer（PT）和分压器电路来感测生成的电压并将其提供给Arduino mega的引脚1电流互感器Transformer（CT）感测流向消费者负载的电流模拟引脚零。发生器的频率通过使用PT和光耦合器从两个连续过零点之间的时间计算得出。发电机输出和虚拟负载条件显示在LCD屏幕上。7. 结论为了验证过零的思想，两个软件模型和一个实验模型在实验室进行了测试。比较了过零开关和虚拟负载随机开关的Simulink仿真结果，发现过零开关的波形比较平滑，而随机开关的波形不是纯正弦。Proteus模型结果验证了Arduino代码，它是在正弦波过零点处切换虚拟负载。在实验模型中对变形杆菌模型进行了跟踪。零交叉的想法消除了开关中的功率损耗、电子元件中的损坏、尖峰、瞬态和谐波。它减少了用户负载的损坏，增加了虚拟负载的寿命。1056A. Ali等/工程科学与技术，国际期刊23（2020）1042图二十五拟议ELC方案框图A. 阿里等 其他/工程 科学和 技术，国际期刊 23（2020）10421057图26.实验模型。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。引用[1] 可再生能源准备评估：巴基斯坦，国际可再生能源机构（IRENA），阿布扎比。号2018年11月[2] H. Mohamad，H.Mokhlis，A.Halim，A.Bakar，H.吴文，小水电厂并网运行与控制之研究，国立成功大学电机工程研究所硕士论文。坚持住。Energy Rev.15（8）（2011）3952-3962.[3] T.舒尔茨湾哈默里克湖Bort，C.M.通过控制预过零电流改善机械断路器的开断性能波形，IET J. 4（2019）122-129。[4] L. Jing，X.王湾，加-地Li，M.邱湾，澳-地Liu，M.Chen，878[5] J. Chan ， W. Lubitz ， “ 电 子 负 载 控 制 器 （ ELC ） 的 设 计 和 模 拟 偏 远 农 村 社区，”IEEE全球人文技术会议，页。360-368，2016。[6] N. A. N. W. I. N. Aung，A.Z. E. Ya，第6页。2015年6月[7] N.李志华，《化学协会国际理事会，第2016- 7月卷》，第110页。288[8] L.彭乔湾Kumar，A. P. Om，P. Rahi，使用电子负载控制器的微型水力发电厂的频率控制，J. Eng. Res. Appl. 2（4）（2012）733-737。[9] 联合urGulman和M. Riaz，“小型水电站电子负载控制器的设计和实施”，2018年国际会议。数学工程技术，pp. 2018年1[10] R.R. Singh，文学士库马尔，D.舒吉河熊猫CT王文，电子负载控制器在小型水力发电厂中的应用，国立台湾大学电机工程研究所硕士论文。Technol. Int. J. 21 （2020）886-900。[11] S. Mbabazi，J. Leary，“发展中国家微型水电系统电子负载控制器的小型项目报告分析和设计”，小型项目代表。Anal. Des. 电子学。负载控制。微水力系统Dev.World，no. 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