PSIM仿真軟件在《電力電子技術(shù)》課程設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用

張超 徐磊

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2009-5640-2737

摘? 要：將PSIM仿真軟件引入電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)，以有源功率校正電路為例闡述電路仿真模型構(gòu)建方法和關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)原則，并對比參數(shù)變化對電路性能的影響。結(jié)果表明，將PSIM軟件引入電力電子課程設(shè)計(jì)有助于提高學(xué)生分析、解決問題的能力，激發(fā)學(xué)習(xí)本課程的興趣，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和解決問題能力。

關(guān)鍵詞：PSIM? 仿真? 電力電子技術(shù)? 課程設(shè)計(jì)

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2021）01（c）-0148-03

Application of PSIM Software in the Course Design of Power Electronics

ZHANG Chao? XU Lei

（School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212013? China）

Abstract： PSIM simulation software is applied in the course design of power electronics. In this course， an active power factor correction （PFC） circuit is taken as an example to explain the circuit simulation model construction method and key parameter design principles. In addition， the key performances of PFC circuit are compared and analyzed with different component parameters. The simulation results show that PSIM can improve students' ability to analyze and solve problems， stimulate their interest in learning this course， and improve students' innovative ability and problem-solving ability.

Key Words： PSIM; Simulation; Power electronics; Course design

電力電子技術(shù)課程涉及電子學(xué)、電路學(xué)及控制理論等多門學(xué)科，是電氣工程專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課之一。作為理論教學(xué)的有益補(bǔ)充，電力電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)電路具體要求展開關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)，并通過修改電路參數(shù)深入掌握電路特性，不僅有助于加深學(xué)生對基本概念、基本理論和基本方法的理解，而且可培養(yǎng)學(xué)生工程思維和動力能力。將PSIM仿真軟件引入至電力電子課程設(shè)計(jì)，一方面能較好解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量限制、無法深入學(xué)習(xí)底層知識等問題，另一方面能夠提高學(xué)生對電力電子技術(shù)的感性認(rèn)識，滿足教學(xué)高層次要求。

1? 電力電子技術(shù)課程特點(diǎn)及PSIM軟件簡介

隨著功率半導(dǎo)體器件和微處理技術(shù)不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)在交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、國防軍事及家庭生活等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。然而，該課程計(jì)算公式復(fù)雜、電路結(jié)構(gòu)繁多、工作狀態(tài)多樣、電路工作原理理解困難。同時(shí)，目前高校設(shè)備資源較為緊張，已有實(shí)驗(yàn)計(jì)劃和設(shè)備無法滿足學(xué)生深入學(xué)習(xí)和掌握電力電子技術(shù)的要求。

PSIM作為電力電子技術(shù)專業(yè)仿真軟件，除包含電力電子技術(shù)中常用的功率器件模型、各種常見電源以及控制器，并且具有仿真速度快、算法易于收斂、用戶界面友好、易于學(xué)習(xí)等優(yōu)點(diǎn)，將其引入至本科電力電子的課程設(shè)計(jì)可以節(jié)省大量的資金和時(shí)間，幫助學(xué)生快速掌握學(xué)習(xí)對象的基本原理，并提高對電力電子技術(shù)應(yīng)用的感性認(rèn)識。

2? PFC電路工作原理及仿真模型搭建

電力電子技術(shù)的廣泛使用雖然帶來一系列優(yōu)點(diǎn)，但其非線性特性同時(shí)也導(dǎo)致電網(wǎng)諧波含量增加。有源功率因數(shù)校正PFC（Power factor correction）電路可以顯著提高電力電子裝置的功率因數(shù)、降低電網(wǎng)電流諧波，是一種電網(wǎng)電能質(zhì)量主動控制裝置。PFC電路涉及整流、直流斬波電路、電網(wǎng)功率因數(shù)控制及PWM控制等多個電力電子重要知識點(diǎn)。此外，為實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電流質(zhì)量控制及輸出母線電壓控制目標(biāo)，該課程設(shè)計(jì)還需學(xué)習(xí)、掌握PWM控制及PI控制參數(shù)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，因此十分適宜作為電力電子的課程設(shè)計(jì)內(nèi)容。

如前所述，本課程設(shè)計(jì)主要目標(biāo)有兩個：一是掌握功率因數(shù)校正及母線電壓穩(wěn)定控制的原理;二是了解關(guān)鍵參數(shù)對整個電路性能的影響，增加對電力電子電路的感性認(rèn)知。課程設(shè)計(jì)所用PFC電路由二極管不控整流器、Boost電路以及檢測、控制電路構(gòu)成，如圖1所示。

檢測電路由電壓傳感器、電流傳感器以及電網(wǎng)相位獲取三部分構(gòu)成。其中，電壓傳感器、電流傳感器分別用于獲取直流母線電壓、電網(wǎng)相位和Boost電路電感電流。控制器內(nèi)部有兩個PI控制器，其中PI-I根據(jù)輸出電壓給定值和反饋值生成電網(wǎng)電流有效值Ig，該電流與電網(wǎng)相位相乘后得到電網(wǎng)電流瞬時(shí)參考值，進(jìn)一步該電流與電網(wǎng)反饋電流誤差將PI-II后得到調(diào)制信號，經(jīng)比較器最終實(shí)現(xiàn)IGBT控制。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在運(yùn)行仿真電路前首先對輸入電感L、穩(wěn)壓電容C兩個電路關(guān)鍵器件進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后在元件屬性窗口對器件值進(jìn)行設(shè)置。電路參數(shù)及控制器構(gòu)建完畢后，設(shè)置仿真運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行仿真。為深刻理解電路參數(shù)對電路性能的影響，在仿真過程中設(shè)置三組不同參數(shù)，對應(yīng)電路關(guān)鍵仿真波形如圖2、圖3所示。圖中ig是電網(wǎng)電流，ug是電網(wǎng)電壓，uo是電路輸出電壓。圖2是電容680uF、不同L值條件下仿真波形，它表明當(dāng)電感過小時(shí)電網(wǎng)電流工作在斷續(xù)狀態(tài)，電網(wǎng)電流THD顯著增加，電網(wǎng)電能質(zhì)量下降。同時(shí)注意到，電容C為680uF時(shí)，電路輸出紋波電壓始終低于5%，這表明電感L值僅和電網(wǎng)質(zhì)量有關(guān)系。

圖3是輸入電感L不變，電容C不同值條件下仿真波形。它表明隨著電容的增加，輸出電壓紋波顯著下降，且當(dāng)電容超過1C后，輸出電壓紋波抑制效果雖然得到改善，但是成本和體積大幅度上升。分析表明，PFC電路關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到電路性能。同時(shí)還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生理解電路性能和系統(tǒng)成本之間的關(guān)系，逐步建立設(shè)計(jì)電路時(shí)的工程思維能力。

4? 結(jié)語

通過PFC電路仿真，學(xué)生加深了電力電子電路作用的理解，對電網(wǎng)電能質(zhì)量和PFC電路工作原理均有較好的掌握。同時(shí)，不同參數(shù)下的仿真波形，幫助學(xué)生進(jìn)一步加深了器件變化對電路性能的影響。

將PSIM仿真引入電力電子技術(shù)課程教學(xué)，增加了學(xué)生對電力電子技術(shù)應(yīng)用的感性認(rèn)知;通過電路參數(shù)變化對電路性能的影響的對比和觀察，有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足，加深對電路工作原理的理解。此外，PSIM仿真軟件能提高學(xué)生搭建和分析電力電子電路的能力，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)目標(biāo)。多年教學(xué)實(shí)踐及效果表明，作為電氣工程專業(yè)的重要課程之一，仿真軟件的使用有助于學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中注重分析和思考，養(yǎng)成用仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論的習(xí)慣，提升創(chuàng)新和研究能力。

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