突出电气工程专业特色的电力电子仿真系统

李军徽，严干贵，任先文，王建元，王汝田

(东北电力大学电气工程学院，吉林吉林132012)

电力电子技术是以提高电能质量及其使用效率为目标的一门基础性技术，随着现代大功率电力电子器件制造技术的不断进步，电力电子技术已成为现代电力工业实现“安全、高效、优质、可持续电能供应”的重要技术支撑。由此，《电力电子技术》课程在“电气工程及其自动化专业”人才培养方案课程体系中定位为重要的必修技术基础课［1］，如何帮助学生建立清晰、准确、扎实的电力电子技术的基本概念，使学生能够胜任含电力电子控制器的电力系统运行分析，确实起到“基础性技术课程”的作用，是课程教学改革与研究的出发点。

电力电子电路实质为非线性电路，为了分析清楚其复杂的动态过程，往往需要绘制出相同时标下的各电气量变化曲线。板书授课方式虽然直观清晰，但是费时费力，在有限的课堂时间内难以全面分析各电气量;采用挂图、投影等授课方式，虽然节约了制图时间，但由于难以动态反映电气量的变化波形，授课效果也不佳。为此，课堂教学亟需丰富的课外学习资源来加强学生学习效果，并向学生介绍目前电力电子技术发展的前沿技术以培养学生学习本课程的兴趣。另外，电力电子技术是一门实用性很强的课程，教学学时所限较少介绍电力电子技术的应用，主要通过实验环节来培养学生动手实践能力。但是，实验室相对每届500余名学生来说场地狭小、实验器材极为有限，而且目前仅有的4个实验内容均为验证性实验，要开展综合性、研究性实验内容需要更多的资金去实践探索，并且需要更多的实验室老师指导学生实验以免发生意外，这些显然在短期内是无法解决的。

数字仿真实验不受被研究系统规模和复杂性的限制，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，成本远低于传统实验。另一突出优点还在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成人身事故，可以在此仿真实验基础上设计、开展一些具有较强工程背景的综合性、研究性实验，并以此可以让学生接触到目前电力电子技术在电力系统应用中的前沿技术，培养学生学习本课程的浓厚兴趣，并为以后从事相关的工作奠定扎实的理论基础和初步的科研能力［2－3］。

1 电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC简介［4－5］

1.1 软件简介

Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水电局开发完成了EMTDC(Electro-Magnetic Transient in DC system)的初版，是一种世界各国广泛使用的电力系统仿真软件，PSCAD是其用户界面，PSCAD的开发成功，使得用户能更方便地使用EMTDC进行电力系统分析，使电力系统复杂部分可视化成为可能，并可模拟任意大小的交直流系统。

1.2 软件基本功能

PSCAD/EMTDC软件包的主要功能是进行电力系统时域和频域计算仿真，典型应用是计算电力系统遭受扰动或参数变化时，电参数随时间变化的规律;另外，PSCAD/EMTDC软件包可以广泛应用于高压直流输电、FACTS控制器的设计、电力系统谐波分析及电力电子领域的仿真计算。

典型的研究包括:

(1)研究电力系统中由于故障或开关操作引起的过电压，也能模拟变压器的非线性;

(2)研究电力系统由于SVC、高压直流接入所引起的谐波;

(3)调整和设计控制系统以达到最好的性能，多重运行工具常被用来同时自动调整增益和时间常数;

(4)STATCOM或电压源变流器的主电路建模，以及相关控制的建模;

(5)研究在谐波谐振，控制，交互作用等引起的不稳定性;

(6)研究柴油机和风力发电机对电力网的冲击影响等等。PSCAD/EMTDC有以下元件模型库:

(1)集中参数电阻R、电感L、电容C以及随时间变化的电阻R、电感L、电容C;

(2)电压源、电流源、多相谐波源;

(3)旋转电机，包括三相同步电动机、三相感应电动机以及模拟汽轮机、水轮机的调速器及交直流励磁器，以及单相或三相(耦合或理想)变压器(双绕组和三绕组);

(4)高压直流输电(HVDC)及灵活交流输电(FACTS)模型库，包括二极管、晶闸管、GTO、IGBT及避雷器模型库，可以进行电力电子仿真、模拟FACTS元件和HVDC特性;

(5)测量元件库，包括单相电压表、电流表、三相电压表、瞬时有功功率和无功功率表;

(6)控制系统模型库，包含91种交直流控制、数字/模拟控制模型;

(7)控制面板，包括滑动触头、开关、按钮及调节控制盘，运行中在线控制参数值。

2 电力电子仿真系统实例

东北电力大学《电力电子技术》课程组从2004年开始进行教学改革，以校级教改项目——《电力电子学课程内容方法及手段的改革》(2004年)为发端，从授课内容选择、授课方法、课外资源开发、实验平台建设等方面开展了系列改革。

经过多年努力，在国际权威的电磁暂态仿真软件PSCAD/EMTDC平台，自行开发了配合电力电子课程课堂教学的基本电力电子仿真实验系统，包括单相、三相整流电路，直流斩波电路，交流调压电路，单相、三相逆变电路、PWM型逆变电路及PWM型整流电路等仿真实验系统，并在此基础上，紧密结合电气工程的发展，开发了“高压直流输电(High Voltage Direct Current，HVDC)仿真系统研究”、“高功率因数PWM整流电路仿真系统研究”综合性、研究性的仿真系统，使学生可以非常方便地观察到变流电路工作过程中各电气量的电磁暂态过程，进而验证了变流电路工作过程分析的正确与否，并且熟练掌握数值仿真工具，为后续的毕业设计和科学研究工作等奠定了重要的数字仿真基础。力图贯通与其他课程的联系，为帮助学生深化理解诸多工程问题提供了有效的手段，对夯实学生的基础理论、提高其理论应用能力具有重要作用，取得了良好的育人效果。

限于文章篇幅，下文仅仅对“高功率因数PWM整流电路仿真系统研究”和“高压直流输电仿真系统研究”进行介绍。

2.1 高功率因数PWM整流电路仿真系统

针对传统晶闸管相控整流器，功率因数很低、输入电流谐波分量大、引起网侧电压波形畸变、闭环控制时动态响应较慢等问题，本仿真电路应用三相PWM电压型整流电路和基于双闭环的前馈解耦直接电流控制策略，实现输入电流正弦化、网侧高功率因数控制和较快的动态响应控制，仿真电路及控制系统图见图1所示。仿真中涉及到得模块有三相交流电压源模块，电阻、电感、电容模块、电力电子器件模块、park变换模块、PI控制器模块及常用电气量测量模块。通过整定PI调节器的参数，达到电压外环使三相VSR直流侧电压稳定、电流内环按电压外环输出的电流指令进行电流跟踪且提高系统的动态响应性能的目标。

图1 三相高功率因数PWM整流器控制仿真模型

图2 直流电压响应波形

图3 阶跃无功功率

从图2和图3的仿真结果可见，直流电压调节时间7 ms，无功功率调节时间4 ms，在稳态时实现了两者的独立控制，在动态调节过程中存在较小的耦合。

2.2 高压直流输电仿真系统

随着经济的不断发展，对电力的需求进一步加强，HVDC由于其自身的优点，特别适用于远距离、大容量输电，大区交流电网的互联以及通过海底电缆向海岛送电等场合。HVDC系统有多种类型，比如有单极系统和双极系统等，但它们的基本控制原理是相似的，大多是基于相控原理。本项目以双极2线不接地HVDC系统为例，开展其运行及控制原理方面的仿真研究，仿真系统图如图4所示。由图5可见，实现了对功率传输的控制。

图4 双极2线不接地HVDC仿真电路图

本项目的研究主要内容为:

(1)三相桥式全控整流电路的控制原理仿真;

(2)三相桥式逆变电路的控制原理仿真;

(3)双极2线不接地HVDC系统运行仿真;

(4)HVDC传输功率控制仿真及其校验。

图5 传输功率波形

3 结论

通过上述利用PSCAD/EMTDC对“高压直流输电仿真系统研究”、“高功率因数PWM整流电路仿真系统研究”的介绍，可以看出利用PSCAD/EMTDC仿真工具辅助电力电子教学，不仅具有建模简单、更改参数方便，仿真波形丰富、生动、直观，能增强学生学习本课程的兴趣，促进学生更好地理解掌握电力电子电路基本原理等优点;还可节约老师画图时间，有利于老师更好地掌控课堂教学。作为电气类专业的学生，将PSCAD/EMTDC用于专业课的课程设计，应用在电能质量控制领域，可提高学生学习的兴趣，增强学生对相关理论知识的理解，填补了模拟实验装置的不足。

［1］王兆安，黄俊.电力电子技术［M］.5版.北京:机械工业出版社，2009.

［2］汪义旺，索迹.电力电子技术仿真实验教学探讨［J］.实验科学与仪器，2011，9(4):53－55.

［3］孙佐.基于PSCAD/EMTDC的电力电子技术仿真教学［J］.池州学院学报，2009，23(6):118－122.

［4］林良真，叶林.电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC［J］.电网技术，2000，24(1):65－66.