Simulink辅助“电力电子技术”教学的实践

2013-08-23李先允杨志超王书征

电气电子教学学报 2013年2期

许峰，李先允，杨志超，陈刚，王书征

(1南京工程学院电力工程学院，江苏南京 211167;2东南大学电气工程学院，江苏南京 210096)

经典的以晶闸管为核心的相控式变流电路在大功率和超大功率场合具有不可替代的地位。现在，全控型电力电子器件的出现，斩控式变流电路在中小功率场合应用越来越广泛，其核心是脉冲宽度调制PWM技术。它使电路的控制性能大为改善，使以前难以实现的功能也得以实现，是现代电力电子技术的基础。

“电力电子技术”是电气工程专业的专业基础课，是学生普遍反映最难学的课程之一。其中最难的部分是波形分析。经典的相位控制变流电路虽然繁琐，但是手工绘制波形并不是十分困难，即使是三相桥式全控整流电路，也是如此。但是在讲授“电力电子技术”中的脉冲宽度PWM变流电路时，手工绘制波形几乎不可能，即使利用PPT和Flash动画讲解，绝大多数学生也很难理解。

1 电力电子仿真软件的比较

电力电子仿真软件越来越丰富，文献［1］对目前在电力电子教学中比较常用的仿真软件进行了对比，提出在电力电子教学中应针对不同的教学内容选用不同的仿真软件。我们比较PSpice和Matlab，虽然前者是较专业的电子仿真软件，可以对系统的瞬态过程进行较准确分析，但对使用者要求较高。Matlab/Simulink相对比较易于上手，且具有强大的运算能力和数据处理分离能力，普及率也非常高。我们在“电力电子技术”课程辅助教学中选用了Matlab。

文献［2］～［4］探讨了Matlab辅助电力电子教学，绝大部分讨论的是经典电力电子技术，基本都是验证工作原理。尽管文献［5］对现代电力电子技术的核心PWM有所涉及，也仅仅局限于对三相三电平电压源型无源逆变电路的波形验证，没有讨论控制器的设计，也没有形成闭环构成电力电子装置或电力电子系统。

本文以典型的PWM变流电路为例，对Matlab/Simulink在现代电力电子技术教学中的应用进行探索实践。在Matlab/Simulink中建立PWM整流电路仿真模型，包括控制电路、驱动电路和以电力电子器件为核心的主电路，设计控制器的参数，仿真模型调试，波形分析。

2 PWM整流电路的仿真实践

PWM整流电路分为电压源型和电流源型两类。由于电压源型PWM整流器能实现网侧电流波形正弦化，功率因数可调，且具有能量双向流动、恒定直流电压控制和小容量滤波器等优点，在现代工业、新能源发电和智能电网中有广阔的应用前景。

2.1 主电路拓扑结构

三相PWM整流电路的主电路如图1所示。其中usa、usb和usc是三相对称电源，L和R是交流侧滤波电感和其等效电阻，C是直流侧滤波电容。

图1 三相PWM变换器主电路

2.2 控制策略

电压源型PWM整流器电流控制策略主要分为直接电流控制和间接电流控制两种。由于间接电流控制其网侧电流动态响应慢，且对系统参数变化灵敏，因此这种策略逐步被直接电流控制策略取代。

直接电流控制又有电压定向控制和虚拟磁链控制两种，基于虚拟磁链定向的控制较电压定向的控制精度高，动态性能好，直流电压稳定且输入电流失真小，但控制器的设计比较麻烦，所以一般采用的是电压定向控制。本文选用了传统电压定向的直接电流控制策略。系统的整体控制方案结构图，如图2所示。

图2 系统的整体控制方案结构图

2.3 控制器参数设计

在三相电压源型整流器的控制系统设计中，一般采用双环控制，即电压外环和电流内环。电压外环主要是控制电压源型整流器直流侧电压，而直流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，如实现单位功率因数正弦波电流控制。

考虑电流内环信号的采样延迟和PWM控制的小惯性特性，并把两者合并，得到简化的电流内环。由于电压外环的主要作用是稳定三相VSR直流电压，所以在控制系统设计时重点考虑电压环的抗扰性能。

2.4 系统仿真

PWM整流电路仿真系统模型结构如图3所示。

图3 仿真系统模型

根据仿真波形，联系以往学过的专业基础课进行分析。首先学生可以很直观地从上图的仿真模型建立起电力电子系统是由控制模块、驱动模块和以电力电子器件为核心的主电路模块。鉴于仿真构成了闭环系统，因此仿真模型中还有检测和反馈模块，而且添加了观测模块来观测波形。三相PWM整流电路直流侧输出电压udc的阶跃响应如图4(a)所示。它和“自动控制原理”中二阶系统的单位阶跃输出响应曲线非常相似。但udc在系统运行时从515V开始，这是因为与IGBT反并联的二极管存在，使得在IGBT不工作的情况下也会产生一个值为相电压有效值2.34倍的直流电压，在仿真环境中对电容C的初始电压进行了设置。

由图4(b)的暂态响应可知，直流输出电压的上升时间为 0.015s，调节时间为 0.05s。超调量为5%，说明系统的初始快速性、整体快速性和平稳性都比较理想。

由图4(c)的稳态响应可以看出，系统的纹波电压为±2V，也就是说系统的稳态误差在±0.25%，远小于工程设计中的±2%和±5%。总体来看三相电压源型PWM整流器非常好地达到了自动控制系统稳、快、准的三大性能指标。

图4 直流侧输出电压

图5是交流侧电源输出电压和电流波形。为了方便分析，电流幅值放大了10倍，由此可见两者完全实现了同相位，即电压源型整流器实现了单位功率因数运行。图6是利用Wavestar软件对A相输入电流的2-20次谐波进行分析结果，幅值最大的为7次谐波，含量仅为0.7%。进一步利用 Matlab/Simulink下的powergui中的快速傅里叶变换(FFT)对A相电流进行分析，总谐波畸变率(THD)为1.27%，远远小于大电感滤波的相控三相桥式全控整流电路的31%。仿真将“电路”和“电力电子技术”中功率因数、谐波和THD等参量的枯燥的定义变成直观的波形和图表，可深化学生对理论知识的理解。