PLECS仿真平台在电力电子调制实验教学中的应用

李新旻　张国政　周湛清　喻丽红

摘 要 在“电气工程仿真计算”和“工程编程”等电气工程学科的课程中，本文设计了基于Z源变换器的实验教学方案，分析了Matlab仿真平台在载波调制环节的量化误差，提出在实验教学中引入PLECS仿真计算平台。该实验教学改革方案使学生能够在实验过程中简便地获得正确的仿真计算结果，并加深学生对量化误差的理解。

关键词 PLECS仿真 电力电子技术 调制技术 实验教学

中图分类号：G424 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2019.06.044

The Application of PLECS Simulation in the Experimental

Teaching of Power Electronics Modulation Technique

LI Xinmin[1]， ZHANG Guozheng[1]， ZHOU Zhanqing[2]， YU Lihong[3]

（[1] School of Electrical Engineering and Automation， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387；

[2] School of Artificial Intelligence， Tianjin Polytechnic University， Tianjin 300387；

[3] College of Electronic Information and Automation， Civil Aviation University of China， Tianjin 300300）

Abstract For the courses of "Electrical Engineering Simulation Calculation" and "Engineering Programming"， this paper designs an experimental teaching scheme based on Z-source converter， and analyzes the quantization error of the carrier modulation section in the Matlab simulation platform. Then the PLECS simulation platform is proposed to use in the experimental teaching. This reform can make students to easily get correct simulation results and deepen students' understanding of quantization errors.

Keywords PLECS simulation； power electronics； modulation； experimental teaching

0 引言

“电气工程仿真计算”和“工程编程”课程是电气工程及其自动化专业的专业课程，[1]上述课程內容包括电力电子变换器的仿真、各种类型电机系统的仿真模拟，课程要求学生在修完高级编程语言、电力电子技术、电机学、电路等专业课程之后学习。现有课程体系主要基于Matlab仿真计算平台展开，讲授环节主要首先介绍MATLAB软件编程基础、Simulink的基础应用知识、以及SimPowerSystems仿真工具箱。实验教学环节围绕电力电子变换中的直流变换器、整流器、逆变器展开，对电力电子技术中的常见动稳态过程进行分析，构建直流电机和异步电机的Matlab/Simulink仿真模型，并对交流电机的动稳态特性进行分析，从而展示直流电机和异步电机的工作特性、起动过程、制动过程等关键阶段。

电气工程及其自动化专业的毕业设计常要求学生搭建仿真模型，并对研究对象进行仿真计算，仿真结果一般作为验证理论正确性和方法有效性的重要支撑。“电气工程仿真计算”和“工程编程”这两门课程为电气专业本科生毕业设计奠定了基础。但是，Matlab/Simulink仿真软件在实际应用过程中存在诸多局限，主要体现在：（1）SimPowerSystems仿真工具箱难以仿真电力电子器件开关动态过程；（2）SimPowerSystems仿真工具箱对电机系统的联合仿真优化程度不足，难以仿真电机系统中的瞬变过程；（3）受限于计算机的计算速度，SimPowerSystems仿真工具箱的计算步长存在局限性，过短的计算步长将导致计算机分配给Matlab软件的存储空间溢出，也将导致仿真时间冗长的问题；然而，过长的计算步长难以模拟电力电子变换器的过渡过程，同时也对电力电子变换器中PWM脉宽调制的输出脉冲精度带来严重影响。

本科生毕业设计中经常涉及电机系统起动、制动、转矩波动抑制的相关课题，Matlab/Simulink所存在上述问题在开展以上课题的过程中被凸显。此外，在开展电力电子变换器调制技术的实验教学时，上述问题也已影响实验教学的正常完成。在Matlab仿真平台下，在理论推导和方法设计均正确，且模型结构和参数基本合理的情况下，学生却却不能得到正确的仿真结果。

除了Matlab这一常用软件，近年来国外出现了以“PLECS”、“PSIM”、“Simplore”、“Labview”为代表的系统级仿真软件，[2]这些仿真软件能够从各自角度部分解决Matlab/Simulink存在的问题。这些系统级仿真软件的出现为改变本科实验教学环节存在的问题提供了解决方案和突加，在此背景下，有必要对“电气工程仿真计算”和“工程编程”课程的实验教学内容进行改革。本文将重点引入PLECS仿真软件，并介绍该软件在解决使用Matlab/Simulink“计算步长”受限方面的作用。PLECS是由瑞士Plexim公司开发的系统级电力电子仿真软件，由于其发展初期依托于Matlab运行环境，故其能够兼容于Simulink运行环境，但其自身的元器件建模独树一帜，具有简约化的特点。[3-4]

1 基于Z源变换器的电力电子调制技术实验教学设计

为了使学生能够接触学科前沿研究内容，在“电气工程仿真计算”和“工程编程”课程的调制技术实验教学中选用一种较新型的变流器——Z源逆变器，该逆变器在传统电压源逆变器前端增加了对称阻抗网络，允许逆变器桥臂直通，并能有效利用该直通态实现母线电压泵升，从而实现了输出电压范围拓展，其基本拓扑结构如图1所示。

图1 实验教学中使用的Z源逆变器拓扑结构图

Z源逆变器采用对称的阻抗网络，即电感值L1=L2=L，电容值C1=C2=C。根据Z源逆变器是否直通可将其工作状态划分为直通态和非直通态。其中Tc和Tsh分别为控制周期和一个控制周期内直通矢量的作用时间，定义dsh=Tsh/Tc为直通矢量占空比。当输入电压Uin一定时，稳态运行下Z源逆变器母线电压幅值udc和直通矢量占空比dsh存在如下关系：

仿真实验教学中，课程要求学生利用仿真软件搭建仿真模型，并验证式（1）给出的电压输入—输出关系。

2 仿真中量化误差的分析

在仿真模型中，占空比为dsh的开关脉冲将通过调制波和三角载波比较产生。然而，当采用定步长离散化的计算方式进行仿真时，如图2所示，理想三角载波被量化为阶梯载波形式，这使得直通信号变为高电平的作用时间偏离理想设定值，进而导致直通矢量占空比量化误差的出现。图2中，直通脉冲为高电平表示逆变器处于直通状态，低电平表示逆变器处于非直通状态。

如图2所示，实际直通脉冲与理想直通脉冲的高电平时间偏差为Tsh，控制周期为Tc，仿真计算步长为Ts，则最大直通矢量占空比量化误差可表示为

式（2）中，fc为控制频率，且满足fc=1/Ts，由该式可知：当控制频率一定时，直通矢量占空比的最大量化误差将与仿真计算步长Ts成正比。因此，仿真计算步长越大，則仿真中Z源逆变器输出母线电压的幅值误差越大。

3 仿真结果与对比分析

实验教学中，首先采用Matlab/Simulink对Z源逆变器进行仿真分析，仿真步长设为Ts=2e-6s，控制周期设为Tc=2e-4s，输入电压Uin=200V，控制方式采用开环控制，直通矢量占空比dsh=0.25。Matlab仿真结果如图3（a）所示，图中给出了Z源网络输出的电压波形。

由于Uin=200V，dsh=0.25，故由式（1）可知，当Z源逆变器稳定工作时，Z源网络输出的电压幅值理论值为udc=400V。然而，如图3（a）所示仿真结果，仿真计算得到的输出电压幅值为udc=385V。在调制环节量化误差的影响下，电压的幅值出现了3.75%的误差。若采用更长的仿真计算步长Ts或更高的控制频率fc，该误差会进一步增加。然而，在实验室机房条件下，采用更短的仿真计算步长将导致仿真时间过长，以及存储器溢出。实验教学中，学生将产生疑惑，需要对其详细解释误差的成因。

实验教学中，若采用PLECS软件搭建相同的仿真模型，由于该仿真平台更为简洁，仿真计算步长可以很容易被设为Ts=1e-7s，在相同的机房条件下，仿真计算过程耗时较短，且不会出现存储器溢出的现象。PLECS仿真结果如图3（b）所示，图中同样给出了Z源网络输出的电压波形，而仿真计算得到的输出电压幅值为udc=400V，该结果与理论计算值相同，即调制环节量化误差的影响已经可以忽略。因此，使用PLECS软件，一方面可以快速得到与理论值接近的仿真计算结果；另一方面，通过与Matlab软件的仿真结果进行对比，可以加深学生对量化误差的理解。

4 结语

综上所述，PLECS仿真软件为“电气工程仿真计算”和“工程编程”课程提供了新的仿真平台，在相同仿真实验软硬件条件下，对比Matlab/Simulink软件，使用PLECS仿真计算软件将允许设置更小的仿真步长，而仿真步长的减小有助于减小电力电子调制环节的量化误差，使仿真计算结果与理论值更接近，实验教学中同时使用上述两种软件，一方面便于学生快速获得正确的仿真计算结果，另一方面也加深学生对量化误差的理解。

基金项目：天津市教委科研计划项目（2018KJ208，2018KJ207）；天津工业大学“师生合作”教学资源建设课题项目（2017-SYJ-18，2017-SYJ-16）；天津工业大学高等教育教学改革研究项目（2017-3-13）

参考文献

[1] 苏良昱，王武，葛瑜.电力电子技术仿真实验教学与创新思维拓展[J].实验技术与管理，2013.30（1）：170-173.

[2] 汤仁彪.基于PLECS的PMSM模糊免疫PI控制系统的仿真研究[J].微特电机，2010.38（10）：60-62.

[3] 王皑，陈义，佘丹妮.基于PLECS的电能收集充电器仿真设计[J].仪表技术，2012（4）：40-41， 45.

[4] 丁辉，纪志成.基于PLECS的感应电动机滑模控制系统仿真研究[J].微特电机，2008.36（3）：54-57.