EMTP软件在《电力电子技术》实验教学中的应用

韩 杨

(电子科技大学 机械电子工程学院，成都 611731)

《电力电子技术》是电气工程与自动化专业必修的学科基础课，是电力电子与电力传动、柔性输配电技术的理论基础。课程涉及控制理论、电力学和电子学等学科，涵盖知识面广，难度大［1－3］。在课堂教学中，教师讲解过程困难，学生学习比较吃力;加上模拟实验平台资源稀缺、互动性差，学生在实验过程中对基本原理的理解不清楚，难以实现创新能力培养的目标。针对这些问题，积极改革教学方法，借鉴国内外先进的教学模式，是提高课程教学质量的迫切需要［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，提高学生的学习能力，培养创新思维，并能弥补实验设施的不足，对课程学习起到事半功倍的效果［7－11］。本文提出采用EMTP软件进行《电力电子技术》课程的辅助实验教学，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［12］。此外，它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，极大地改善了教学效果。

1 EMTP简介

EMTP是加拿大H.W.Dommel教授首创的电磁暂态分析软件，具有分析功能多、元件模型全和运算结果精确等优点，是一种进行电力电子和电力系统仿真的强大工具。它包含由多个集中元件、分布参数、线性与非线性元件、依赖于频率变化的线路、各类型开关、电力电子元件、变压器及电机、多种类型电源、控制电路的任意组合而成的不同网络结构。程序使用稀疏矩阵技术简化了计算，大幅度减少了存储单元及计算时间。一般的电气电子线路，以及能等价地用电气电路来分析的任何问题，都可以用EMTP来求解［12］。

ATP(alternative transients program)是EMTP的免费独立版本，是目前世界上电磁暂态分析程序使用最广泛的一个版本，可以模拟复杂网络和任意结构的控制系统［12］。ATP配备了通用模型描述语言MODELS及图形输入程序ATPDraw。由于EMTP元件库中没有Buck和Boost电路及其控制系统的模型，因此，文中采用EMTP－ATP为仿真平台对斩波电路进行分析，并采用EMTP中的TACS(transient analysis of control systems)功能进行斩波电路模型开发［12］。

2 EMTP在电力电子实验教学中的应用案例

直流斩波电路(DC chopper)的功能是将直流电变成另一种固定电压或可调电压的直流电，也称为直流－直流变换器(DC/DC converter)。斩波电路种类较多，包括:降压斩波电路、升压斩波电路、升降压斩波电路、Cuk斩波电路、Sepic斩波电路和Zeta斩波电路，其中，前两种是理解斩波电路的基础。本文以降压斩波电路(Buck)和升压斩波电路(Boost)为例进行EMTP软件应用的教学分析。

2.1 降压斩波电路(Buck)仿真实验教学实例

图1为降压斩波电路(Buck)示意图，其中，T1为全控型电力电子器件 IGBT，也可使用晶闸管(则需设置使晶闸管关断的辅助电路)。在图1中，为在T1关断时电感电流提供通道，设置了续流二极管D1。降压斩波电路主要用于拖动直流电机，也可为蓄电池充电。

图1 降压斩波电路(Buck)示意图

2.1.1 降压斩波电路(Buck)数学模型推导

1)当T1导通时，电感L的电流满足如下方程:

式中:iL为电感电流;vL为电感电压;v(t)为RC负载的电压。因此，电感L的电流可以表示为:

负载电容电压可以表示为:

式中:Ton为IGBT在一个周期内的开通时间。

2)当T1关断时，电感L的电流满足如下方程:

因此，电感L的电流可以表示为:

式中:T为IGBT的开关周期。

负载电容电压可以表示为:

2.1.2 降压斩波电路(Buck)的EMTP模型

由式(2)和式(5)可知，电感电流在一个开关周期内为分段函数，可以用EMTP中TACS60元件来建模，得到电感电流iL，如图2中“电感电流模拟”框图所示;由式(3)和式(6)可知，负载电容电压可以通过对电流iC分段积分得到，其EMTP模型如图2中“电容电压模拟”框图所示。考虑到电感电流连续，其参考值iLref与实际值iL求偏差，得到偏差电流ierr，设置滞环宽度为1 A，可以根据ierr≥0.5 A或ierr≤－0.5 A为判断条件，实现滞环电流控制功能，其EMTP模型如图2中“滞环控制”框图所示。

图2 降压斩波电路(Buck)的EMTP模型

2.1.3 降压斩波电路(Buck)仿真测试与分析

降压斩波电路EMTP模型参数为:输入电源电压Vg=100 V;负载电阻R=10 Ω;负载电容C=500 μF;电感 L=50 μH;电感电流参考值 iLref=5 A;输出电压参考值Vout=50 V;滞环宽度为1 A;仿真步长为0.05 μs。在EMTP软件中对降压斩波电路输出特性进行仿真实验，仿真结果如图3所示。

由图3可知，电感L电流平均值为5 A，上下波动0.5 A，验证了电流闭环控制的滞环宽度为1 A。由图·可知，IGBT和二极管交替导通，当IGBT导通时，直流电源为电感和RC负载充电，电流iS变化率为正;当IGBT关断时，二极管续流，二极管电流iD变化率为负。此时，电容电流iC为锯齿波，在一个开关周期平均值为零，电阻电流为5A直流，即等于电感电流的参考值。

图3 降压斩波电路电流跟踪特性的EMTP仿真结果

2.2 升压斩波器(Boost)仿真实验教学实例

图4为升压斩波电路(Boost)示意图，其中，T1为全控型电力电子器件IGBT。在图4中，假设电感L和电容C很大，当IGBT导通时，电源向L充电，同时C上的电压向负载供电;当IGBT截止时，电源和L共同向C充电，并向负载R提供能量。

图4 升压斩波电路(Buck)示意图

2.2.1 升压斩波电路(Boost)数学模型推导

1)当T1导通时，电感L的电流满足如下方程:

式中:iL为电感电流;Vg为电源电压;电感L的电流可以表示为:

负载电容电压可以表示为:

式中:Ton为IGBT在一个周期内的开通时间。

2)当T1关断时，电感L的电流满足如下方程:

因此，电感L的电流可以表示为:

式中:T为IGBT的开关周期。

负载电容电压可以表示为:

2.2.2 升压斩波电路(Boost)的EMTP模型

由式(8)和式(11)可知，电感电流在一个开关周期内为分段函数，可以用EMTP中TACS60元件来建模，得到电感电流iL，如图5中“电感电流模拟”框图所示;由式(9)和式(12)可知，负载电容电压可以通过对电流iC分段积分得到，其EMTP模型如图5中“电容电压模拟”框图所示。考虑到电感电流连续，其参考值iLref与实际值iL求偏差，得到偏差电流ierr，设置滞环宽度为1 A，可以根据ierr≥0.5 A或ierr≤－0.5 A为判断条件，实现滞环电流控制功能，其EMTP模型如图5中“滞环控制”框图所示。

图5 升压斩波电路(Buck)的EMTP模型

2.2.3 升压斩波电路(Boost)仿真测试与分析

升压斩波电路EMTP模型参数为:输入电源电压Vg=100 V;负载电阻R=100 Ω;负载电容C=10 μF;电感L=200 μH;电感电流参考值 iLref=4 A;输出电压参考值Vout=200 V;滞环宽度1 A;仿真步长0.05 μs。在EMTP软件中对升压斩波电路输出特性进行仿真实验，仿真结果如图6所示。

图6 升压斩波电路电流跟踪特性的EMTP仿真结果

由图6可知，电感L电流平均值为4 A，上下波动0.5 A，验证了电流闭环控制的滞环宽度为1 A。由图4可知，IGBT和二极管交替导通，当IGBT导通时，直流电源为电感L充电，电流iS变化率为正;当IGBT关断时，直流电源和电感的储能经过二极管向RC负载供电，起到电压泵升作用，且二极管电流iD变化率为负。仿真结果表明，负载电阻电流为2 A，但电容电流iC与Buck电路的情况不同。当IGBT导通时，电容储能向负载R供电，此时，iC=－iR=－2 A;当IGBT关断时，电容电流为iC=iD－iR，在一个开关周期，平均值为零。

当L=100 μH时，升压斩波电路各参数的波形与L=200 μH时完全一致，只是IGBT的开关频率有所增加，电感电流iL纹波频率变为原来的2倍。仿真结果表明，可以灵活地改变感兴趣的参数，在EMTP平台上研究Buck和Boost斩波电路的工作特性。

3 结束语

将EMTP软件引入《电力电子技术》的辅助实验教学，加深了学生对电力电子技术相关知识的理解和把握，培养了学生对课程的学习兴趣，显著改善了教学效果，提高了教学质量。这对《电力电子技术》课程的实验教学是一种创新和有益的探索，也为电气工程相关课程的实验教学提供了新的方法。该方法的应用为学生顺利完成创新创业训练项目和毕业设计奠定了良好的基础，也起到开阔学生视野、培养科研能力、增强就业竞争力的重要作用。

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