电力电子技术教学中PSCAD/EMTDC的应用

古斌+宗剑

【摘要】PSCAD/EMTDC软件包因其使用方便及强大功能已在电力系统及电力电子等领域获得了广泛的应用，同时它也为高校电气工程专业教师进行教学及科研提供了一种有力的工具。本文阐述了PSCAD/EMTDC软件包的功能和特点，讨论了该仿真软件于电力电子技术课程教学的相关应用，并给出了基于PSCAD/EMTDC的三相桥式全控整流电路的“整流电路与谐波”案例教学的仿真分析算例。这种教学方法生动形象，可较好地调动学生学习兴趣及积极性，对学生更好地理解电力电子电路基本原理起到促进作用。

【关键词】PSCAD/EMTDC 电力电子 仿真教学 谐波分析

【中图分类号】G642 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）08-0143-02

一、引言

《电力电子技术》课程是电气工程及其自动化专业非常重要的必修课程之一。该课程的内容比较多且复杂。另外该课程本身所涉及的技术也在不断更新，这些都使得学生在学习这门课时感到较吃力，教师也在实际教学中感受到要很好地教授这门课的难度。如何使学生能较好地掌握《电力电子技术》这门重要的专业课程？将电力仿真软件引进到《电力电子技术》的教学课堂将在一定程度上使该课程的教学更加直观，也更加能激发学生对该课程的学习积极性。

仿真软件是用计算机仿真来进行物理实际模拟的一种工具。PSCAD/EMTDC是一种应用较为广泛的电力仿真软件，它可以用软件模型来模拟复杂的电力电子系统，包括相关的控制系统，可较好地实现电力电子系统电磁暂态模拟研究[1]。

二、PSCAD/EMTDC仿真软件简介

PSCAD/EMTDC （全称Power Systems Computer Aided Design）是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件， EMTDC是其仿真计算核心，PSCAD为EMTDC（Electromagnetic Transients including DC）提供图形操作界面。

PSCAD/EMTDC采用时域分析求解完整的电力系统及电力电子系统的微分方程，结果不仅非常精确，更值得一提的是它允许用户在的图形界面下建立系统模型，进行仿真分析，并允许在仿真过程中调节控制参数，这样可直观地观察各种仿真结果和参数曲线，使用户能体会到极大的仿真的乐趣并提高系统设计效率。PSCAD里面提供丰富的元件库，包括了电路、电力电子、电机等电气工程学科中常用的元件模型[2]。

工程案例仿真的一般步骤是：项目文件的建立、选择电路元件并设置其参数、系统搭建（元件连线）、设置仿真参数（仿真步长仿真时间等）、仿真运行、参数波形输出、仿真结果分析等。

本文以PSCAD/EMTDC Professional Edition4.2版本为仿真平台，以三相桥式全控整流电路为工程案例，通过该案例的仿真分析，以直观的仿真结果来分析电力系统谐波的概验，达到了较好的教学效果。

三、基于PSCAD/EMTDC的三相桥式全控整流电路的“整流电路与谐波”案例教学

图1为三相桥式全控整流电路仿真模型的单线图。《电力电子技术》相应章节告诉我们[3]，对于整流电路等非线性负载，其电网侧的输入电压可近似视为正弦对称，而其输入电流则由于非线性负载的影响发生畸变，含有谐波成分。对于三相桥式整流电路，当其负载为阻感型负载并且电感足够大时，负载电流波形近似为一水平线，这反应在输入交流侧其三相电流就为方波，对其进行傅里叶分析可得式（1）。式中 为电网基波角频率。由式（1）可见在三相桥式整流电路的交流输入电流中除含有基波分量外，还含有5次、7次、11次、13次等谐波分量，并且这些谐波分量的幅值与谐波次数成反比。这些理论分析的结论可以由图1的PSCAD仿真案例进行仿真验证，给学生一个直观的印象。三相桥式全控整流电路带阻感负载时触发角移相范围为90度，各晶闸管触发角零度位置为相应相电压的交点处，图2～5给出了触发角分别为30度及60度的交流输入侧电压、电流波形及电流的谐波分析。图2显示在A相电压正向过零后30度时（A、C相电压交点处）为整流桥A相共阴管触发角零度位置，相应的触发角30度位置即离此处30度电角度位置，如图为A相电流由零变化为正值的位置。同样，图4给出了触发角为60度时交流输入电压、电流波形，由图4明显可看出触发角为60度。另外图3给出了30度触发角时输入交流电流谐波分析，仿真显示基波、5次谐波及7次谐波幅值分别为43.5574A、8.68944A及6.1365A，显然可看出5次谐波幅值为基波幅值的五分之一倍，7次谐波幅值为基波幅值的七分之一倍，和理论分析完全相符。由60度触发角时输入交流电流谐波分析知（图5），基波、5次谐波及7次谐波幅值分别为25.0823A、4.9957A及3.60768A，也显然符合理论分析的结论。

四、结论

本文给出了基于PSCAD/EMTDC平台的三相桥式全控整流电路的建模及仿真过程。可以看出：应用PSCAD/EMTDC仿真软件对电力电子教学进行辅助，有着建模方便、参数设置与更改简单，仿真波形生动、丰富及直观等特点，能极大激发学生学习该课程的兴趣，使得学生能更好地掌握、理解电力电子电路基本原理。

参考文献：

[1]林良真，叶林.电磁暂态分析软件包PscAD，EMTDc[J].电网技术， 2000（1）：65-66.

[2]Manitoba HVDC Research Center，PSCAD Users Guide[Z].224 Cree Crescent，Winnipeg，Manitoba，Canada R3J3WI，2004.

[3]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2004.