使用LabVIEW測試電力電子效率
2021-07-01
作者
Stefano Lovati，Power Electronics News
效率對大功率電力應用來說非常關鍵，而效率測試本就是一個複雜的話題，在測試熱效率和WBG元件時會變得更複雜。本文以風力渦輪機為例，使用LabVIEW進行效率測試。
測試是新產品或系統開發過程中最複雜也最關鍵的步驟之一。如果說除錯在提高產品可靠性方面發揮著根本的作用，是透過「白盒」(white box)分析其內部行為，那麼功能測試無疑是最重要的一環，它能夠驗證所有應用需求是否已被覆蓋且正確實施，並評估產品的整體效率。在任何電子領域，效率都扮演著越來越重要的角色，提高效率就意味著開發具有更佳散熱管理、更低功耗、更長壽命和可靠性的應用，從而減少能量損耗。測試自動化在解決這些關鍵問題方面發揮著根本性作用，它可以增加測試覆蓋範圍、縮短產品「上市時間」，並減少手動測試方法可能出現的錯誤。
效率測試
效率對大功率電力應用來說非常關鍵，因為這類應用需要管理的功率從幾千瓦直到幾十兆瓦。正如我們在之前的文章中看到的，電力電子包括各種受關注的領域，例如電動車(EV)設計、相關電池充電系統和電網應用等。
如今的電網是一個非常綜合的產業和基礎設施。所有連接到電網的設備都必須經過適當的測試，從而確保設備在獲取電力的同時不會對網路基礎設施造成不必要或意外的影響。絕大多數相關測試都專注於實現這一點，同時也評估電力傳輸到工業設備、電器和其他耗電大戶時的效率。
測試對變頻電力應用也同樣重要，如電動車、可再生能源發電系統和智慧電網應用。這些應用的共同點在於，能夠將可變頻率下產生的功率以已知且可靠可用功率傳輸到輸出端，反之亦然。這就要求配置能夠調節功率和改變頻率的複雜控制系統。
考慮到單位時間內的大量電力傳輸，以及最小化電力損耗的需求(在許多情況下也是必須遵從的法規條例)，效率在這些應用場景下發揮著至關重要的作用。在電動車輛中，由於可儲存到電池中的能量有限，因此有必要充分利用可用電力，以最大限度地提高車輛的續航里程或性能(如巡航速度)。得益於極為高效的製造技術和材料(例如氮化鎵和碳化矽)減少了功耗和散熱，現在即使不能完全達到等同100%效率的最佳條件，但也仍然取得了巨大的進步。效率測量可以表現電池供電的一切特性，協助電子設計人員開發出盡可能高效傳輸功率的設計。
另一個重要的例子是基於可再生能源的清潔能源生產系統。在這類應用中，電力會定期從可再生能源傳輸到電網，因此，減少即使最小的能量損耗都至關重要，它可以最大限度地提高系統效率。
用LabVIEW進行效率測試
本文以風力渦輪機為例。風力渦輪機用於向電網提供來自可再生能源高達15MVA的電力，模型如圖 1 所示。這類系統的效率是由世界上最強大的可再生能源測試設施(即杜克能源電網研究創新與發展，eGRID)進行測試，它能夠在原型機部署到實際電網之前，在受控和校準環境中同時測試其機械和電氣特性。
圖1：在15MVA電網模擬器中測試的風力渦輪機原型。
15 MW電網模擬器由不同的電氣元件組成，包括 NI 硬體和 FPGA，並結合了 LabVIEW 系統設計軟體，從而獲得能夠真正實現硬體迴路(HIL)控制的系統。FPGA和LabVIEW即時模組的確定性特點為資料獲取(DAQ)、通訊和控制提供了靈活可靠的系統。
LabVIEW Electric Power Toolkit電力工具包提供了建構不同電源效率測試所需的所有功能，而且還附帶預建構示例以幫助用戶快速入門。其中，牽引逆變器功率和效率測量與記錄就是一個非常有用的例子。該VI 應用演示了如何使用NI DAQmx硬體(可以在8個通道上同時採樣)在牽引逆變器上實現功率測量和效率。本示例測量了牽引逆變器直流鏈路和三相交流輸出側的電力參數，例如有功功率。為了獲得更高的精準度，以及電角相關性，需要在A相電流通道上一個電平觸發器決定的整數週期塊內對訊號進行處理，且計算出的測量結果符合IEEE 1459-2010 測量標準。
LabVIEW電動車牽引逆變器示例
一旦安裝了LabVIEW Electric Power Toolkit，就可以使用「Example Finder」找到示例。在LabVIEW工具列中選擇「Help」，然後再選擇「Find Examples」。該示例位於「Toolkits and Modules -> Electrical Power -> EV Power Test -> Traction Inverter」目錄下，是「Traction Inverter」資料夾中的三個示例之一，它結合了硬體採集和採集資料的後期分析，另外兩個示例則分別執行這些任務(圖 2)。
圖2：如何找到牽引逆變器示例。
其圖形化使用者介面顯示了所有必要的配置設置，並在採集期間顯示資料，而所有硬體連接設置均位於介面左側(圖 3)。該VI可與不同的硬體驅動程式一起使用，儘管該示例使用了DAQmx驅動程式進行硬體連接。對於電壓通道，有「電壓輸入」範圍和「預期電壓輸出」範圍，可生成圖表中顯示的測量範圍，「電流輸入和輸出」具有相同的測量計算。
圖3：硬體連接配置。
如圖 4 所示，圖形化使用者介面的中間部分是應用運作時獲取的資料圖表。上方的圖表為觸發訊號，下方兩個為電壓和電流。
圖4：相關通道圖表。
使用者介面的右側是觸發設置，以及要計算的功率測量週期數。下方為有功功率、有效視在功率、無功功率、功率因數和逆變器效率測量結果。所有這些測量結果都記錄在檔中，保存在所選擇的位置(圖5)。
圖5：使用者介面的右側。
在圖6所示的框架圖中，可以看到應用的所有邏輯。應用的三個主要任務被分為三個主要部分。第一個部分用於實現硬體連接、執行資料獲取和觸發配置。一旦滿足觸發條件的資料段被辨識，這些資料段就會被發送到下一個任務。而此時，所有原始資料仍在資料流並被記錄。第二項任務是功率測量分析，它具有一個迴圈緩衝區，用於接收觸發的資料段並執行功率和效率計算。三相功率測量透過功率函數計算，直流功率測量利用直流功率函數計算，而效率則以效率函數計算。
圖6：功能框架圖。
該示例採用3相3線輸入設置(圖7)，但也可以設置為使用 1相1通道或3相4線輸入設置。最後一個任務是記錄採集期間收集到的所有原始資料和執行的所有計算。
圖7：3相3線有效電壓計算。
根據具體的電力應用需求，可以客製和修改此示例。所有使用的函數都是開放且可修改，如果需要，也可以使用不同的計算方法。透過LabVIEW，還可與其他感測器同步功率測量和分析，從而瞭解整個系統對效率的影響。
電力電子的效率
在電力電子應用中，採用寬能隙(WBG)半導體(如SiC和GaN)可以極大地改善效率。除了提高效率，SiC和GaN對熱管理也帶來了益處，因為它們在佔用更小尺寸空間的同時也具有更高的結溫。矽元件效率較低，結溫較低，產生熱量更多。而WBG半導體效率更高，結溫更高，產生熱量更少，而且還可以節省多達75%的佔位面積，這意味著熱流通的改善。
效率測試本就是一個複雜的話題，在測試熱效率和WBG元件時會變得更複雜。WBG 元件可以在更高的頻率下切換，在更高的溫度下工作，並且比矽元件具有更低的洩漏電流，因此其測試要求更高的電壓和更高的電流來測量靈敏度。開關電源(SMPS)是WBG元件的首批電源應用之一，它需要高頻率和高性能的工具，以及功率分析軟體來表徵更高頻率下的元件行為，並分析其性能和效率。
(參考原文：LabVIEW for Power Electronics: Testing for Efficiency，by Stefano Lovati)
本文同步刊登於EE Times China 7月號雜誌
