Simulink輔助“電力電子技術(shù)”教學(xué)的實(shí)踐

許 峰，李先允，楊志超，陳 剛，王書征

(1南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院，江蘇南京 211167;2東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京 210096)

經(jīng)典的以晶閘管為核心的相控式變流電路在大功率和超大功率場合具有不可替代的地位。現(xiàn)在，全控型電力電子器件的出現(xiàn)，斬控式變流電路在中小功率場合應(yīng)用越來越廣泛，其核心是脈沖寬度調(diào)制PWM技術(shù)。它使電路的控制性能大為改善，使以前難以實(shí)現(xiàn)的功能也得以實(shí)現(xiàn)，是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

“電力電子技術(shù)”是電氣工程專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生普遍反映最難學(xué)的課程之一。其中最難的部分是波形分析。經(jīng)典的相位控制變流電路雖然繁瑣，但是手工繪制波形并不是十分困難，即使是三相橋式全控整流電路，也是如此。但是在講授“電力電子技術(shù)”中的脈沖寬度PWM變流電路時(shí)，手工繪制波形幾乎不可能，即使利用PPT和Flash動畫講解，絕大多數(shù)學(xué)生也很難理解。

1 電力電子仿真軟件的比較

電力電子仿真軟件越來越豐富，文獻(xiàn)［1］對目前在電力電子教學(xué)中比較常用的仿真軟件進(jìn)行了對比，提出在電力電子教學(xué)中應(yīng)針對不同的教學(xué)內(nèi)容選用不同的仿真軟件。我們比較PSpice和Matlab，雖然前者是較專業(yè)的電子仿真軟件，可以對系統(tǒng)的瞬態(tài)過程進(jìn)行較準(zhǔn)確分析，但對使用者要求較高。Matlab/Simulink相對比較易于上手，且具有強(qiáng)大的運(yùn)算能力和數(shù)據(jù)處理分離能力，普及率也非常高。我們在“電力電子技術(shù)”課程輔助教學(xué)中選用了Matlab。

文獻(xiàn)［2］～［4］探討了Matlab輔助電力電子教學(xué)，絕大部分討論的是經(jīng)典電力電子技術(shù)，基本都是驗(yàn)證工作原理。盡管文獻(xiàn)［5］對現(xiàn)代電力電子技術(shù)的核心PWM有所涉及，也僅僅局限于對三相三電平電壓源型無源逆變電路的波形驗(yàn)證，沒有討論控制器的設(shè)計(jì)，也沒有形成閉環(huán)構(gòu)成電力電子裝置或電力電子系統(tǒng)。

本文以典型的PWM變流電路為例，對Matlab/Simulink在現(xiàn)代電力電子技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用進(jìn)行探索實(shí)踐。在Matlab/Simulink中建立PWM整流電路仿真模型，包括控制電路、驅(qū)動電路和以電力電子器件為核心的主電路，設(shè)計(jì)控制器的參數(shù)，仿真模型調(diào)試，波形分析。

2 PWM整流電路的仿真實(shí)踐

PWM整流電路分為電壓源型和電流源型兩類。由于電壓源型PWM整流器能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流波形正弦化，功率因數(shù)可調(diào)，且具有能量雙向流動、恒定直流電壓控制和小容量濾波器等優(yōu)點(diǎn)，在現(xiàn)代工業(yè)、新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)中有廣闊的應(yīng)用前景。

2.1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相PWM整流電路的主電路如圖1所示。其中usa、usb和usc是三相對稱電源，L和R是交流側(cè)濾波電感和其等效電阻，C是直流側(cè)濾波電容。

圖1 三相PWM變換器主電路

2.2 控制策略

電壓源型PWM整流器電流控制策略主要分為直接電流控制和間接電流控制兩種。由于間接電流控制其網(wǎng)側(cè)電流動態(tài)響應(yīng)慢，且對系統(tǒng)參數(shù)變化靈敏，因此這種策略逐步被直接電流控制策略取代。

直接電流控制又有電壓定向控制和虛擬磁鏈控制兩種，基于虛擬磁鏈定向的控制較電壓定向的控制精度高，動態(tài)性能好，直流電壓穩(wěn)定且輸入電流失真小，但控制器的設(shè)計(jì)比較麻煩，所以一般采用的是電壓定向控制。本文選用了傳統(tǒng)電壓定向的直接電流控制策略。系統(tǒng)的整體控制方案結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的整體控制方案結(jié)構(gòu)圖

2.3 控制器參數(shù)設(shè)計(jì)

在三相電壓源型整流器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般采用雙環(huán)控制，即電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)。電壓外環(huán)主要是控制電壓源型整流器直流側(cè)電壓，而直流內(nèi)環(huán)的作用主要是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，如實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。

考慮電流內(nèi)環(huán)信號的采樣延遲和PWM控制的小慣性特性，并把兩者合并，得到簡化的電流內(nèi)環(huán)。由于電壓外環(huán)的主要作用是穩(wěn)定三相VSR直流電壓，所以在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮電壓環(huán)的抗擾性能。

2.4 系統(tǒng)仿真

PWM整流電路仿真系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真系統(tǒng)模型

根據(jù)仿真波形，聯(lián)系以往學(xué)過的專業(yè)基礎(chǔ)課進(jìn)行分析。首先學(xué)生可以很直觀地從上圖的仿真模型建立起電力電子系統(tǒng)是由控制模塊、驅(qū)動模塊和以電力電子器件為核心的主電路模塊。鑒于仿真構(gòu)成了閉環(huán)系統(tǒng)，因此仿真模型中還有檢測和反饋模塊，而且添加了觀測模塊來觀測波形。三相PWM整流電路直流側(cè)輸出電壓udc的階躍響應(yīng)如圖4(a)所示。它和“自動控制原理”中二階系統(tǒng)的單位階躍輸出響應(yīng)曲線非常相似。但udc在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)從515V開始，這是因?yàn)榕cIGBT反并聯(lián)的二極管存在，使得在IGBT不工作的情況下也會產(chǎn)生一個(gè)值為相電壓有效值2.34倍的直流電壓，在仿真環(huán)境中對電容C的初始電壓進(jìn)行了設(shè)置。

由圖4(b)的暫態(tài)響應(yīng)可知，直流輸出電壓的上升時(shí)間為 0.015s，調(diào)節(jié)時(shí)間為 0.05s。超調(diào)量為5%，說明系統(tǒng)的初始快速性、整體快速性和平穩(wěn)性都比較理想。

由圖4(c)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)可以看出，系統(tǒng)的紋波電壓為±2V，也就是說系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差在±0.25%，遠(yuǎn)小于工程設(shè)計(jì)中的±2%和±5%?？傮w來看三相電壓源型PWM整流器非常好地達(dá)到了自動控制系統(tǒng)穩(wěn)、快、準(zhǔn)的三大性能指標(biāo)。

圖4 直流側(cè)輸出電壓

圖5是交流側(cè)電源輸出電壓和電流波形。為了方便分析，電流幅值放大了10倍，由此可見兩者完全實(shí)現(xiàn)了同相位，即電壓源型整流器實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)運(yùn)行。圖6是利用Wavestar軟件對A相輸入電流的2-20次諧波進(jìn)行分析結(jié)果，幅值最大的為7次諧波，含量僅為0.7%。進(jìn)一步利用 Matlab/Simulink下的powergui中的快速傅里葉變換(FFT)對A相電流進(jìn)行分析，總諧波畸變率(THD)為1.27%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于大電感濾波的相控三相橋式全控整流電路的31%。仿真將“電路”和“電力電子技術(shù)”中功率因數(shù)、諧波和THD等參量的枯燥的定義變成直觀的波形和圖表，可深化學(xué)生對理論知識的理解。

圖5 交流側(cè)電壓和電流波形

圖6 交流側(cè)電流的諧波分析

3 結(jié)語

“電力電子技術(shù)”是電氣工程及其自動化的專業(yè)基礎(chǔ)課，教師難講，學(xué)生難學(xué)，對于現(xiàn)代電力電子技術(shù)及應(yīng)用就更加困難。為了提高教學(xué)質(zhì)量，我們把Matlab/Simulink仿真軟件應(yīng)用到教學(xué)中，通過三年的教學(xué)實(shí)踐充分證明了該方法的可行性和有效性。

［1］ 楊浩東，王偉.電力電子教學(xué)中常用仿真軟件對比［J］.北京:中國電力教育，2012，(3):112-113

［2］ 張寶生，王念春.Matlab在電力電子教學(xué)中的應(yīng)用［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2004，26(3):102-104

［3］ 王云嶺，高建樹.仿真技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用［J］.南京:電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(bào)，2004，16(2):77-79

［4］ 劉同娟，金能強(qiáng)，馬向國.Matlab在電力電子整流電路仿真中的應(yīng)用［J］.北京:電力電子，2005，3(1):34-36

［5］ 劉桂英，粟時(shí)平.“電力電子技術(shù)”的Matlab/Simulink教學(xué)仿真實(shí)踐［J］.南京:電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(1):87-89