突出電氣工程專業(yè)特色的電力電子仿真系統(tǒng)

李軍徽，嚴干貴，任先文，王建元，王汝田

(東北電力大學電氣工程學院，吉林吉林132012)

電力電子技術是以提高電能質量及其使用效率為目標的一門基礎性技術，隨著現代大功率電力電子器件制造技術的不斷進步，電力電子技術已成為現代電力工業(yè)實現“安全、高效、優(yōu)質、可持續(xù)電能供應”的重要技術支撐。由此，《電力電子技術》課程在“電氣工程及其自動化專業(yè)”人才培養(yǎng)方案課程體系中定位為重要的必修技術基礎課［1］，如何幫助學生建立清晰、準確、扎實的電力電子技術的基本概念，使學生能夠勝任含電力電子控制器的電力系統(tǒng)運行分析，確實起到“基礎性技術課程”的作用，是課程教學改革與研究的出發(fā)點。

電力電子電路實質為非線性電路，為了分析清楚其復雜的動態(tài)過程，往往需要繪制出相同時標下的各電氣量變化曲線。板書授課方式雖然直觀清晰，但是費時費力，在有限的課堂時間內難以全面分析各電氣量;采用掛圖、投影等授課方式，雖然節(jié)約了制圖時間，但由于難以動態(tài)反映電氣量的變化波形，授課效果也不佳。為此，課堂教學亟需豐富的課外學習資源來加強學生學習效果，并向學生介紹目前電力電子技術發(fā)展的前沿技術以培養(yǎng)學生學習本課程的興趣。另外，電力電子技術是一門實用性很強的課程，教學學時所限較少介紹電力電子技術的應用，主要通過實驗環(huán)節(jié)來培養(yǎng)學生動手實踐能力。但是，實驗室相對每屆500余名學生來說場地狹小、實驗器材極為有限，而且目前僅有的4個實驗內容均為驗證性實驗，要開展綜合性、研究性實驗內容需要更多的資金去實踐探索，并且需要更多的實驗室老師指導學生實驗以免發(fā)生意外，這些顯然在短期內是無法解決的。

數字仿真實驗不受被研究系統(tǒng)規(guī)模和復雜性的限制，也不受場地等外界條件限制，可重復操作，成本遠低于傳統(tǒng)實驗。另一突出優(yōu)點還在于其絕對的安全性，不會因操作失誤而造成人身事故，可以在此仿真實驗基礎上設計、開展一些具有較強工程背景的綜合性、研究性實驗，并以此可以讓學生接觸到目前電力電子技術在電力系統(tǒng)應用中的前沿技術，培養(yǎng)學生學習本課程的濃厚興趣，并為以后從事相關的工作奠定扎實的理論基礎和初步的科研能力［2－3］。

1 電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC簡介［4－5］

1.1 軟件簡介

Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開發(fā)完成了EMTDC(Electro-Magnetic Transient in DC system)的初版，是一種世界各國廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，PSCAD是其用戶界面，PSCAD的開發(fā)成功，使得用戶能更方便地使用EMTDC進行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復雜部分可視化成為可能，并可模擬任意大小的交直流系統(tǒng)。

1.2 軟件基本功能

PSCAD/EMTDC軟件包的主要功能是進行電力系統(tǒng)時域和頻域計算仿真，典型應用是計算電力系統(tǒng)遭受擾動或參數變化時，電參數隨時間變化的規(guī)律;另外，PSCAD/EMTDC軟件包可以廣泛應用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設計、電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領域的仿真計算。

典型的研究包括:

(1)研究電力系統(tǒng)中由于故障或開關操作引起的過電壓，也能模擬變壓器的非線性;

(2)研究電力系統(tǒng)由于SVC、高壓直流接入所引起的諧波;

(3)調整和設計控制系統(tǒng)以達到最好的性能，多重運行工具常被用來同時自動調整增益和時間常數;

(4)STATCOM或電壓源變流器的主電路建模，以及相關控制的建模;

(5)研究在諧波諧振，控制，交互作用等引起的不穩(wěn)定性;

(6)研究柴油機和風力發(fā)電機對電力網的沖擊影響等等。PSCAD/EMTDC有以下元件模型庫:

(1)集中參數電阻R、電感L、電容C以及隨時間變化的電阻R、電感L、電容C;

(2)電壓源、電流源、多相諧波源;

(3)旋轉電機，包括三相同步電動機、三相感應電動機以及模擬汽輪機、水輪機的調速器及交直流勵磁器，以及單相或三相(耦合或理想)變壓器(雙繞組和三繞組);

(4)高壓直流輸電(HVDC)及靈活交流輸電(FACTS)模型庫，包括二極管、晶閘管、GTO、IGBT及避雷器模型庫，可以進行電力電子仿真、模擬FACTS元件和HVDC特性;

(5)測量元件庫，包括單相電壓表、電流表、三相電壓表、瞬時有功功率和無功功率表;

(6)控制系統(tǒng)模型庫，包含91種交直流控制、數字/模擬控制模型;

(7)控制面板，包括滑動觸頭、開關、按鈕及調節(jié)控制盤，運行中在線控制參數值。

2 電力電子仿真系統(tǒng)實例

東北電力大學《電力電子技術》課程組從2004年開始進行教學改革，以校級教改項目——《電力電子學課程內容方法及手段的改革》(2004年)為發(fā)端，從授課內容選擇、授課方法、課外資源開發(fā)、實驗平臺建設等方面開展了系列改革。

經過多年努力，在國際權威的電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC平臺，自行開發(fā)了配合電力電子課程課堂教學的基本電力電子仿真實驗系統(tǒng)，包括單相、三相整流電路，直流斬波電路，交流調壓電路，單相、三相逆變電路、PWM型逆變電路及PWM型整流電路等仿真實驗系統(tǒng)，并在此基礎上，緊密結合電氣工程的發(fā)展，開發(fā)了“高壓直流輸電(High Voltage Direct Current，HVDC)仿真系統(tǒng)研究”、“高功率因數PWM整流電路仿真系統(tǒng)研究”綜合性、研究性的仿真系統(tǒng)，使學生可以非常方便地觀察到變流電路工作過程中各電氣量的電磁暫態(tài)過程，進而驗證了變流電路工作過程分析的正確與否，并且熟練掌握數值仿真工具，為后續(xù)的畢業(yè)設計和科學研究工作等奠定了重要的數字仿真基礎。力圖貫通與其他課程的聯系，為幫助學生深化理解諸多工程問題提供了有效的手段，對夯實學生的基礎理論、提高其理論應用能力具有重要作用，取得了良好的育人效果。

限于文章篇幅，下文僅僅對“高功率因數PWM整流電路仿真系統(tǒng)研究”和“高壓直流輸電仿真系統(tǒng)研究”進行介紹。

2.1 高功率因數PWM整流電路仿真系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)晶閘管相控整流器，功率因數很低、輸入電流諧波分量大、引起網側電壓波形畸變、閉環(huán)控制時動態(tài)響應較慢等問題，本仿真電路應用三相PWM電壓型整流電路和基于雙閉環(huán)的前饋解耦直接電流控制策略，實現輸入電流正弦化、網側高功率因數控制和較快的動態(tài)響應控制，仿真電路及控制系統(tǒng)圖見圖1所示。仿真中涉及到得模塊有三相交流電壓源模塊，電阻、電感、電容模塊、電力電子器件模塊、park變換模塊、PI控制器模塊及常用電氣量測量模塊。通過整定PI調節(jié)器的參數，達到電壓外環(huán)使三相VSR直流側電壓穩(wěn)定、電流內環(huán)按電壓外環(huán)輸出的電流指令進行電流跟蹤且提高系統(tǒng)的動態(tài)響應性能的目標。

圖1 三相高功率因數PWM整流器控制仿真模型

圖2 直流電壓響應波形

圖3 階躍無功功率

從圖2和圖3的仿真結果可見，直流電壓調節(jié)時間7 ms，無功功率調節(jié)時間4 ms，在穩(wěn)態(tài)時實現了兩者的獨立控制，在動態(tài)調節(jié)過程中存在較小的耦合。

2.2 高壓直流輸電仿真系統(tǒng)

隨著經濟的不斷發(fā)展，對電力的需求進一步加強，HVDC由于其自身的優(yōu)點，特別適用于遠距離、大容量輸電，大區(qū)交流電網的互聯以及通過海底電纜向海島送電等場合。HVDC系統(tǒng)有多種類型，比如有單極系統(tǒng)和雙極系統(tǒng)等，但它們的基本控制原理是相似的，大多是基于相控原理。本項目以雙極2線不接地HVDC系統(tǒng)為例，開展其運行及控制原理方面的仿真研究，仿真系統(tǒng)圖如圖4所示。由圖5可見，實現了對功率傳輸的控制。

圖4 雙極2線不接地HVDC仿真電路圖

本項目的研究主要內容為:

(1)三相橋式全控整流電路的控制原理仿真;

(2)三相橋式逆變電路的控制原理仿真;

(3)雙極2線不接地HVDC系統(tǒng)運行仿真;

(4)HVDC傳輸功率控制仿真及其校驗。

圖5 傳輸功率波形

3 結論

通過上述利用PSCAD/EMTDC對“高壓直流輸電仿真系統(tǒng)研究”、“高功率因數PWM整流電路仿真系統(tǒng)研究”的介紹，可以看出利用PSCAD/EMTDC仿真工具輔助電力電子教學，不僅具有建模簡單、更改參數方便，仿真波形豐富、生動、直觀，能增強學生學習本課程的興趣，促進學生更好地理解掌握電力電子電路基本原理等優(yōu)點;還可節(jié)約老師畫圖時間，有利于老師更好地掌控課堂教學。作為電氣類專業(yè)的學生，將PSCAD/EMTDC用于專業(yè)課的課程設計，應用在電能質量控制領域，可提高學生學習的興趣，增強學生對相關理論知識的理解，填補了模擬實驗裝置的不足。

［1］王兆安，黃俊.電力電子技術［M］.5版.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［2］汪義旺，索跡.電力電子技術仿真實驗教學探討［J］.實驗科學與儀器，2011，9(4):53－55.

［3］孫佐.基于PSCAD/EMTDC的電力電子技術仿真教學［J］.池州學院學報，2009，23(6):118－122.

［4］林良真，葉林.電磁暫態(tài)分析軟件包PSCAD/EMTDC［J］.電網技術，2000，24(1):65－66.