PSIM軟件在電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘要：對(duì)PSIM軟件在電力電子技術(shù)課程教學(xué)改革實(shí)踐中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。以并聯(lián)有源電力濾波器為例，在理論分析基礎(chǔ)上，建立了電力電子功率變換器與控制算法的仿真模型。仿真結(jié)果驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)及控制算法的有效性，將PSIM軟件引入該課程，能夠引起學(xué)生對(duì)于電力電子技術(shù)的濃厚興趣，對(duì)于培養(yǎng)電力電子應(yīng)用系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的綜合能力有較好效果。

關(guān)鍵詞：電力電子；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；仿真；教學(xué)改革

作者簡(jiǎn)介：金楠（1982-），男，河南商丘人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，講師；楊存祥（1966-），男，河南臺(tái)前人，鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，教授。（河南 鄭州 450002）

基金項(xiàng)目：本文系鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：112PPTGY249-7）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）27-0111-02

著名的Newell倒三角理論指出，電力電子技術(shù)是由電力技術(shù)、電子技術(shù)與控制理論三者交叉綜合而成。隨著三項(xiàng)技術(shù)快速發(fā)展，近年來(lái)，電力電子技術(shù)在器件制造、控制方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面發(fā)展迅速。目前，電力電子技術(shù)廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、綠色照明等重要行業(yè)，并且其應(yīng)用領(lǐng)域仍在不斷擴(kuò)展。[1]尤其是新能源發(fā)電與分布式發(fā)電、高壓直流輸電和柔性交流輸電、用戶電力技術(shù)和電能質(zhì)量技術(shù)、儲(chǔ)能技術(shù)等大功率電力電子技術(shù)已經(jīng)融入到電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)。因此，電力電子技術(shù)已經(jīng)成為支撐智能電網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

電力電子技術(shù)是鄭州輕工業(yè)學(xué)院（以下簡(jiǎn)稱“我?！保╇姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化專業(yè)基礎(chǔ)核心課程，該專業(yè)每年有150名學(xué)生學(xué)習(xí)此課程。目前總學(xué)時(shí)為58學(xué)時(shí)，其中理論教學(xué)50學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)8學(xué)時(shí)。在以往本科教學(xué)過(guò)程中，并未設(shè)置計(jì)算機(jī)仿真的教學(xué)安排。僅有的實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)安排4次實(shí)驗(yàn)，分別是單相半控整流橋?qū)嶒?yàn)、三相全控整流橋?qū)嶒?yàn)，交流調(diào)壓電路實(shí)驗(yàn)和直流斬波電路實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容陳舊落后，無(wú)法滿足電力電子技術(shù)快速發(fā)展的需要。

電力電子技術(shù)課程教學(xué)應(yīng)與該技術(shù)的發(fā)展相適應(yīng)，然而，目前在實(shí)際教學(xué)過(guò)程中存在以下問(wèn)題：首先，學(xué)生對(duì)該技術(shù)興趣濃厚，但目前教師授課內(nèi)容主要以波形理論分析為主，內(nèi)容枯燥，不易入門(mén)。其次，教學(xué)內(nèi)容零散，缺少系統(tǒng)設(shè)計(jì)訓(xùn)練。系統(tǒng)設(shè)計(jì)是多種知識(shí)模塊的組合，但教學(xué)中缺乏知識(shí)模塊之間相互貫通的內(nèi)容。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)際系統(tǒng)時(shí)無(wú)從下手，缺少應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的知識(shí)與技能。再次，教學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置中所使用的控制方案主要是利用運(yùn)放組成的比例積分控制，難以將微控制器技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)與電力電子技術(shù)相結(jié)合，無(wú)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法。學(xué)生普遍反映電力電子課程理論分析較多，課程中缺少真實(shí)案例，不易理解，希望增加實(shí)驗(yàn)數(shù)量。由于受到實(shí)驗(yàn)條件限制，增加硬件實(shí)驗(yàn)需要更新添置實(shí)驗(yàn)設(shè)備，周期較長(zhǎng)。

因此，在電力電子課程中增加了應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，通過(guò)使用PSIM軟件對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，填補(bǔ)基礎(chǔ)理論教學(xué)與實(shí)際應(yīng)用之間的斷帶，幫助學(xué)生加深對(duì)基礎(chǔ)理論和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識(shí)的理解，掌握利用仿真技術(shù)進(jìn)行輔助分析與設(shè)計(jì)的技能。

一、PSIM軟件

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)通過(guò)搭建模擬實(shí)際器件的仿真模型，為系統(tǒng)分析提供有效方法，極大簡(jiǎn)化了電力電子與電氣傳動(dòng)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的過(guò)程。仿真中需要使用數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際器件，通過(guò)數(shù)值方法求解電力電子系統(tǒng)中狀態(tài)變量的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。由于工程人員無(wú)法完成復(fù)雜的數(shù)學(xué)建模、數(shù)值求解和編程工作，PSIM、SABER、MATLAB等仿真軟件的出現(xiàn)極大提高了科研、開(kāi)發(fā)效率。

PSIM是專業(yè)的電力電子與電機(jī)控制仿真軟件，與其他通用性仿真軟件相比，占用資源少，仿真速度快。該軟件主要應(yīng)用于基本電力電子電路設(shè)計(jì)、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)設(shè)計(jì)、新能源發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，基本覆蓋了電力電子與電氣傳動(dòng)領(lǐng)域的主要內(nèi)容。PSIM軟件在電力電子應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中有以下特點(diǎn)：[2-4]

特點(diǎn)一：PSIM軟件的基本操作簡(jiǎn)單，學(xué)生能夠較快掌握并進(jìn)行簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)，易于入門(mén)。與其他軟件的復(fù)雜操作配置相比，通過(guò)兩個(gè)學(xué)時(shí)的簡(jiǎn)短功能介紹后，學(xué)生可以自主使用PSIM軟件仿真驗(yàn)證電力電子課程中的基本電路和理論。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單操作能夠產(chǎn)生教材中長(zhǎng)篇介紹的復(fù)雜波形，減小了入門(mén)難度，容易引起興趣和求知欲。

特點(diǎn)二：包含電力電子技術(shù)課程中涉及的全部元件，能夠?qū)崿F(xiàn)模擬控制和數(shù)字控制，便于將控制理論的基本方法應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)高性能控制算法，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜控制問(wèn)題的能力。

特點(diǎn)三：對(duì)于復(fù)雜的電力電子應(yīng)用系統(tǒng)，PSIM可以通過(guò)編寫(xiě)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）的方法實(shí)現(xiàn)控制算法，同時(shí)能夠與其他仿真軟件配合使用，增強(qiáng)了仿真系統(tǒng)的擴(kuò)展性，為希望深入學(xué)習(xí)的學(xué)生提供了有力的工具支持。

特點(diǎn)四：針對(duì)可再生能源領(lǐng)域，PSIM具有光伏電池模塊和風(fēng)機(jī)模塊，通過(guò)配置參數(shù)得到設(shè)計(jì)所需的仿真模型，提高了仿真效率。

PSIM軟件具有強(qiáng)大的功能和擴(kuò)展性，在日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)（NEDO）、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)等國(guó)內(nèi)外電力電子教學(xué)科研機(jī)構(gòu)得到了廣泛應(yīng)用。因此，我校電力電子課程體系改革中，加入了該軟件教學(xué)部分，以培養(yǎng)學(xué)生電力電子系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的綜合能力。以有源電力濾波器為例介紹使用PSIM軟件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真的過(guò)程。

二、并聯(lián)有源電力濾波器（Active Power Filter， APF）仿真

變頻器、開(kāi)關(guān)電源等電力電子裝置廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)。由于許多電力電子裝置具有非線性、沖擊性和不平衡性，這些裝置從電網(wǎng)中吸收能量維持正常工作的同時(shí)，將一部分能量以諧波電流的形式注入到電網(wǎng)。電力電子裝置的廣泛使用導(dǎo)致電網(wǎng)中諧波污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，造成電網(wǎng)電壓波動(dòng)和電流波形畸變，成為影響供電質(zhì)量的突出問(wèn)題。[5]

有源電力濾波器是解決電力系統(tǒng)非線性負(fù)載產(chǎn)生諧波污染問(wèn)題的有效裝置，通過(guò)檢測(cè)諧波源產(chǎn)生的諧波電流，利用逆變裝置產(chǎn)生等幅值、反相位諧波電流抵消負(fù)載諧波電流，從而提高功率因數(shù)、降低網(wǎng)損、改善電能質(zhì)量。[6]

1.APF的原理與電路結(jié)構(gòu)

圖1（a）為并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，es表示交流電網(wǎng)電壓，負(fù)載為諧波源，產(chǎn)生諧波電流并消耗無(wú)功。并聯(lián)型有源電力濾波器由兩部分組成，即諧波電流檢測(cè)電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。諧波電流檢測(cè)電路檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波分量，以此作為補(bǔ)償電流指令參考值。補(bǔ)償電流發(fā)生電路根據(jù)指令參考值，產(chǎn)生實(shí)際補(bǔ)償電流。功率變換電路采用電壓型逆變器，PSIM仿真模型如圖1（b）。

2.基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的ip-iq諧波電流檢測(cè)算法

ip-iq諧波檢測(cè)算法是瞬時(shí)無(wú)功功率理論的改進(jìn)，該算法對(duì)電網(wǎng)電壓初始相位沒(méi)有嚴(yán)格要求，檢測(cè)結(jié)果不受電壓波形畸變的影響?？紤]直流側(cè)電壓波動(dòng)下的諧波電流檢測(cè)算法如圖2。

其中，A相電壓ea通過(guò)鎖相環(huán)（PLL）模塊后產(chǎn)生同相位的正弦和余弦信號(hào)，檢測(cè)得到三相負(fù)載電流ia、ib、ic經(jīng)過(guò)C32變換后得到坐標(biāo)系下電流分量iα、iβ，C32用（1）式表示：

（1）

然后經(jīng)過(guò)C變換后得到ip、iq，用（2）式表示：

（2）

ip、iq經(jīng)過(guò)低通濾波后得到直流分量、，經(jīng)過(guò)CT變換、C23變換后得到負(fù)載電流的基波分量iaf、ibf、icf，其中。負(fù)載電流與其基波分量相減得到有源電力濾波器諧波電流檢測(cè)值iah、ibh、ich。

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，APF直流側(cè)電容的平均電壓需要保持恒定。由于電路損耗會(huì)產(chǎn)生直流側(cè)電壓下降，需要從系統(tǒng)注入有功功率補(bǔ)償損失功率，維持直流側(cè)電壓恒定。損耗電流幅值由直流側(cè)電容電壓實(shí)際值與參考值的偏差量經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)器后得到，損耗電流相位與系統(tǒng)電壓相位相同。利用PSIM軟件能夠?qū)崿F(xiàn)上述諧波檢測(cè)補(bǔ)償算法。

3.仿真結(jié)果

仿真系統(tǒng)參數(shù)如下：電網(wǎng)線電壓380V，頻率50Hz，非線性負(fù)載為三相整流橋接阻容性負(fù)載，并聯(lián)電阻5Ω，并聯(lián)電容470μF。APF直流側(cè)電容2000μF，初始電壓600V。有源濾波器與電網(wǎng)連接電感為2mH。

APF在0.2s時(shí)投入工作，圖3（a）中，ISA為A相電網(wǎng)電流波形，I_LA為A相負(fù)載電流波形。仿真結(jié)果表明，APF投入工作后，電網(wǎng)電流諧波成份得到有效治理，諧波畸變小于3%。PSIM軟件中包含功率因數(shù)表與視在功率表模塊，圖3（b）為系統(tǒng)功率因數(shù)及視在功率波形。仿真結(jié)果表明，APF能夠補(bǔ)償負(fù)載諧波和無(wú)功電流，提高系統(tǒng)功率因數(shù)使之接近1，同時(shí)系統(tǒng)輸出視在功率下降到4.45KW。由于負(fù)載消耗的視在功率下降，線路電流減小，降低了線路損耗。利用PSIM軟件驗(yàn)證了APF及其控制算法的有效性，為實(shí)際裝置的設(shè)計(jì)與調(diào)試提供了理論依據(jù)。

三、結(jié)論

實(shí)際教學(xué)過(guò)程中，電力電子技術(shù)的理論計(jì)算和波形分析較為枯燥，教師單一課堂講授，學(xué)生被動(dòng)學(xué)習(xí)的效果并不理想。PSIM軟件使學(xué)生能夠借助仿真工具對(duì)電力電子功率變換電路及控制方法進(jìn)行驗(yàn)證，引起了對(duì)該課程的濃厚興趣。利用該軟件能夠完成本文中有源電力濾波器這類復(fù)雜電力電子系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)，培養(yǎng)了學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新、主動(dòng)學(xué)習(xí)的能力，幫助學(xué)生掌握利用仿真工具輔助設(shè)計(jì)的技能，取得良好的教學(xué)效果。PSIM軟件操作簡(jiǎn)單、內(nèi)容豐富，對(duì)優(yōu)化課程教學(xué)內(nèi)容、調(diào)整教學(xué)思路方法、培養(yǎng)工程實(shí)踐能力發(fā)揮了重要作用。

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