《电力电子技术》课程研究型教学的案例设计与探讨

韩 杨

(电子科技大学 机电学院电力电子系，成都 611731)

《电力电子技术》课程研究型教学的案例设计与探讨

韩 杨

(电子科技大学 机电学院电力电子系，成都 611731)

以《电力电子技术》课程可控整流和有源逆变电路的教学内容为分析对象，创新教学方法，以高压直流输电（HVDC）为典型的教学案例，讨论了该内容的教学特点和难点，分析了课堂理论与工程实践之间的密切联系。文中从三相桥式整流、有源逆变电路、基于12脉波换流器的HVDC系统原理及控制方法进行分析，采用EMTP软件搭建了整流站、逆变站以及HVDC异步联网的仿真实验平台，克服了传统实验教学依赖硬件装置、互动性差的缺点，为《电力电子技术》课程研究型教学提供了新的思路和方法。

研究型教学；教学改革；电力电子；高压直流输电

《电力电子技术》是电力技术、电子技术和控制技术相结合的新兴交叉学科，是利用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术。该课程涵盖知识面广、难度大，是电气工程及其自动化专业必修的学科基础课，是电力电子与电力传动、新能源并网发电、柔性输配电技术的理论基础[1_3]。

在《电力电子技术》课程教学过程中，存在诸多问题：理论教学和实践教学相脱离，理论教学太抽象，教师讲解难度大，学生学习吃力;实践教学模式陈旧，平台资源稀缺、互动性差;学生在实验过程中对基本原理理解不清楚，验证性实验多、缺乏创新性;实验设施更新较慢、费用高昂，严重滞后于技术进步的步伐。针对这些问题，积极推进教学方法改革，吸收国内外先进的教学模式，倡导研究型教学方法是提高教学质量的迫切要求[4_6]。

仿真软件的应用有利于教师引导学生用科学思维方法来分析问题和解决问题，提高学生学习能力、培养创新思维、弥补实验设施的不足，对课程学习起到事半功倍的效果[7_8]。本文提出采用EMTP软件进行《电力电子技术》课程的研究型教学，该软件平台能对任意电力电子电路进行建模、控制算法验证，还能应用于电力系统动态建模和暂态分析，是电气工程专业通用的软件平台[7_8]。此外，还可以随意改变电路和控制参数、交互性好，容易激发学生的学习兴趣，改善教学效果。

1 HVDC换流器的工作原理

HVDC换流器的基本模块是三相全桥电路，又称为格雷兹(Graetz)桥。换流变压器的交流侧配有有载调压分接头，交流侧通常采用星型接地(Yn)联接，阀侧绕组通常采用三角形(△)或星形(Y)联接。

1.1 六脉波全桥整流器

图1 6脉波整流器原理接线图

6脉波整流器原理接线图如图1所示，即应用最为广泛的三相桥式全控桥整流电路。其中，νA1，νB1，νC1为等值交流系统的工频基波正弦电压;Lr为每相的等值换相电感;Ld为平波电抗器;V1～V6为换流阀，换流阀的基本元件是晶闸管，其特点如下：

1)晶闸管导通条件。阳极对阴极电压为正，且控制极对阴极加上足够能量的正向触发脉冲时才能导通。这两个条件必须同时具备，缺一不可。

2)晶闸管关断条件。一旦晶闸管导通，只能当流经它的电流为零时才能关断。否则即使去除了触发脉冲，也不能关断，晶闸管仍能继续导通。

当触发脉冲到Pi来时且满足导通条件时，第i个晶闸管导通，但由于Lr的存在，阀电流不可能立刻上升到Id(当整流器直流侧带负荷时，由于平波电抗器和直流滤波器的存在，使得直流电流波形近似平直，其平均值为Id)。同理，在将要关断的晶闸管的电流也不可能立刻从Id降到零。它们都必须经历一段时间，才能完成换流过程，这段时间对应的电角度μ1称为换相角。

在换相过程中，同一个半桥中参与换相的两个阀都处于导通状态，从而形成换流变压器阀侧绕组的两相短路。在刚导通的阀中，电流方向与两相短路电流的方向相同，电流从零开始上升到Id。而在将要关断的阀中，其电流方向与两相短路电流的方向相反，电流则从Id开始下降，直至到零而关断，从而完成换流阀之间的换相过程。

6脉波整流器的直流电压平均值为：

式中：Ud0为理想空载直流电压;Xr为换相电抗。换相角是换流器运行中的重要参数，可以表示为：

式中：E1为阀侧绕组空载线电压有效值。由式(2)可知，μ1与Id、E1、Xr和α四个因素有关。当Xr和α不变时，μ1随Id的增加或E1的下降而增大;当Xr增大时，μ1增大;当运行在整流工况时，μ1随α的增大而减少。

1.2 6脉波全桥逆变器

与整流器相同，逆变器也是由6个换流阀组成的三相桥式拓扑结构。换流器作逆变运行时，其共阴极点m的电位为负，共阳极点n的电位为正，与整流器运行时极性相反。逆变器的6个阀V1～V6，也是按同整流器一样的顺序，借助于换流变压器阀侧绕组的两相短路电流进行换相。在一个工频周期内，分别在共阳极组和共阴极组的三个阀中，将流入逆变器的直流电流，交替地分成三段，送入换流变压器的三相绕组，使直流电转变为交流电。

为了保证逆变器的换相成功，换流阀从关断(阀中的电流为零)到其电压由负变正的过零点之间的时间要足够长，使得阀关断后处于反向电压的时间能够满足其恢复阻断能力的要求。否则，当阀电压变正时，在无触发脉冲的情况下，阀可能又重新导通，从而造成换相失败[9_10]。

2 基于12脉波换流器的HVDC原理及控制策略

2.1 工作原理

图2为12脉波HVDC系统原理接线图。12脉波换流器由两个6脉波换流器在直流侧串联而成，换流变压器的阀侧绕组一个为星形接线，一个为三角形接线，从而使两个六脉波换流器的换相电压相位相差30°，从而使输出整流和逆变电压在每个交流电压周期中脉动12次，故称为12脉波换流器。其工作原理与6脉波换流器相同，也是利用交流系统的两相短路电流来进行换相[9_10]。

直流电压通过改变换流器的触发角以及交流电压来控制，当交流电压或直流电流变化时，也可通过改变触发角来维持直流电压或电流不变。由于晶闸管的单向导电性，直流回路的电流方向不能改变，但可以通过改变触发角来改变电压，从而改变直流功率输送的方向。HVDC系统整流站包括最小触发角控制、直流电流控制、直流电压控制、低压限流控制和直流功率控制;逆变站包括最大触发角控制、直流电流控制、直流电压控制、低压限流控制和定关断角控制[11_12]。

图2 12脉波HVDC系统原理接线图

2.2 整流站控制策略

1)最小触发角αmin控制。从国内外HVDC工程的运行经验来看，最小αmin参考角整定在5°左右，以保证触发时换流阀有足够的正电压，避免换相失败。

2)直流电流控制。控制HVDC稳态运行电流，从而控制直流输送功率和调节交流系统运行性能。由闭环调节器控制触发角，换流变压器抽头切换装置保持α的范围为10°～20°。

3)直流电压控制。限制直流过电压，其电压整定值通常略高于额定直流电压，当直流电压高于设定值时，加大α角，起到限压作用。

4)低压限流控制。低压限流特性的直流电压动作值，整流站取0.35～0.45 p.u，直流电流定值取0.3～0.4 p.u。

5)直流功率控制：整定功率值，除以实测直流电压，从而获得所需的直流电流定值。

2.3 逆变站控制策略

1)最大触发角限制。为了限制调节器超调导致逆变器触发角太大，造成关断角太小而引起换相失败，需要设置最大触发角限制，通常为150°～160°。

2)直流电流控制。逆变器定电流调节器的整定值比整流侧小，在正常工况下电流调节器不参与工作。只有当整流侧电压大幅降低或逆变侧电压大幅升高时，才发生控制模式转换，变为由整流器最小触发角控制来控制直流电压，逆变器定电流控制来控制直流电流。

3)直流电压控制。逆变站采用定直流电压控制与定关断角控制相比，更有利于受端交流系统的电压稳定。当受端为弱交流系统时，逆变器的正常控制方式往往采用定电压控制，而定关断角控制则作为限制器使用，以防止换相失败。

4)低压限流控制。逆变侧低压限流控制需和整流侧特性配合，保持电流裕度，逆变站低压限流控制的直流电压动作值取0.35～0.75 p.u，直流电流定值取0.1～0.3 p.u。

5)定关断角γ控制。当换流器作逆变运行时，从被换相的阀电流过零开始，到该阀重新被加上正向电压为止对应的电角度，称为关断角。如果γ角太小，以致晶闸管来不及完全恢复其正向阻断能力，又重新加上正向电压，就会发生换相失败，严重扰乱直流功率的传输。另一方面，直流电压Ud可表示为：

式中：Ud为直流电压;Ud0为逆变器理想空载直流电压;γ为关断角;μ为换相角。由式(3)可见，关断角增大，使逆变器直流电压降低，从而减少了输送功率、降低设备利用率。因此，关断角设置需要折中考虑，一般工程上调节关断角到15°左右。

EMTP程序将HVDC换流站看成两个非线性元件组，一组连接于交流网络，另一组连接于直流网络，并且将网络在每个非线性元件后进行戴维南等值。在每个仿真时间点，在换流器模块中求出非线性元件电流，并且用这些电流通过后补偿法来计算所有EMTP网络节点电压值，用控制系统暂态分析(TACS)程序仿真晶闸管驱动控制方案。

3 仿真结果分析

3.1 HVDC整流换流站的仿真结果

系统参数：电网电压峰值224 kV，频率50 Hz，A相电压初始角度_60°。变压器原边阻抗RT1= 0.5Ω，LT1=120 mH，副边Y绕组RT21=0.05Ω，LT21=16 mH，副边Δ绕组RT22=0.15Ω，LT22= 48 mH。交流线路阻抗Rs=1Ω，Ls=20 mH，直流线路阻抗R=0.1Ω，L=300 mH，负载电阻RL= 500Ω，阀组的触发角α=18°。仿真波形如图3所示。

图3 HVDC整流换流站仿真波形

由图3可知，直流母线电压νPOS1平均值为245 kV，变压器副边Y型绕组电流iA21，iB21，iC21为典型6脉波整流电流波形，且包含6k±1(k为正整数)次谐波分量。变压器副边Δ绕组电流iA22，iB22，iC22分别比Y型绕组电流iA21，iB21，iC21滞后30°，同样包含6k±1(k为正整数)次谐波分量。交流电网三相电流iA1，iB1，iC1为多电平阶梯波，由于变压器Y/△接法，交流电网电流仅包含12k±1 (k为正整数)次谐波分量。

3.2 HVDC逆变换流站的仿真结果

系统参数：电网电压峰值224 kV，频率60 Hz，A相电压初始角度120°。变压器原边阻抗RT1=0.5Ω，LT1=120 mH，副边Y绕组RT21= 0.05Ω，LT21=16 mH，副边Δ绕组RT22=0.15Ω，LT22=48mH。交流线路阻抗Rs=1Ω，Ls=20 mH，直流线路阻抗R=150Ω，L=300 mH，直流电压245 kV，阀组的触发角β=120°。

图4为HVDC逆变换流站的仿真波形。由图4可知，直流母线电压νPOS1X平均值为245 kV，变压器副边Y型绕组电流iA21X，iB21X，iC21X为典型6脉波电流波形，且包含6k±1(k为正整数)次谐波分量。变压器副边Δ绕组电流iA22X，iB22X，iC22X分别比Y型绕组电流iA21X，iB21X，iC21X滞后30°，同样包含6k±1(k为正整数)次谐波分量。交流电网三相电流iA1X，iB1X，iC1X为多电平阶梯波，同样仅包含12k±1(k为正整数)次谐波分量。

图4 HVDC逆变换流站仿真波形

3.3 HVDC实现异步联网的仿真结果

整流站参数：电网电压峰值224 kV，频率50 Hz，A相电压初始角度_60°。交流线路阻抗Rs=1Ω，Ls=20 mH，直流线路阻抗R=2Ω，L= 300 mH，阀组的触发角α=45°。逆变站参数：电网电压峰值224 kV，频率50 Hz，A相电压初始角度_60°。交流线路阻抗Rs=1Ω，Ls=20 mH，直流线路阻抗R=2Ω，L=300 mH，阀组的触发角β =120°。

图5为HVDC异步联网的仿真波形。由图5可知，送端电网的频率为50 Hz，接收端电网频率为60 Hz，直流母线电压稳定在180 kV左右。通过仿真分析，验证了HVDC具有异步联网的功能。在搭建的电路模型基础上，学生可以灵活的改变主电路和控制参数，验证恒功率、恒电流控制等功能，开展探索性研究型学习。

图5 HVDC异步联网的仿真波形

4 结束语

在教学实践中，以高压直流输电(HVDC)为工程背景，将EMTP软件引入《电力电子技术》课程的研究型教学。实践表明，按照上述模式开展研究型教学，能够很好地结合电力电子技术、自动控制原理、EMTP仿真等知识，激发学生的学习兴趣，加深了学生对相关知识的理解，显著地改善了教学效果、提高了教学质量，对《电力电子技术》课程的研究型教学是一种创新和有益的探索。

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Case Design and Discussion of Research-oriented Teaching M ethod in the Course of Power Electronics Technologies

HAN Yang
(School of Mechatronics Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China)

The innovative teachingmethod is proposed for teaching the controlled rectifiers and active inversion circuits in Power Electronics Technology course，based on the example of the High-Voltage Direct Current(HVDC)system，the characteristics and difficulties are discussed and the relationships between the theoretical teaching and practical applications are analyzed.This paper analyzed the three-phase bridge-rectifier，active inversion circuits，and the principle and controlmethod of the HVDC system based on the twelvepulse inverter，the simulation circuits of these systems are builtby EMTP software，which overcomes the drawbacks of the conventional experimental teaching such as the dependence on hardware and poor interoperability.Thismethod provides new idea and solution for the research-oriented teaching for power electronics course.

research-oriented teaching;teaching reform;power electronics;HVDC

TN7；G420.0

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.010