EMTP軟件在《電力電子技術(shù)》實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

韓 楊

(電子科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院，成都 611731)

《電力電子技術(shù)》是電氣工程與自動(dòng)化專業(yè)必修的學(xué)科基礎(chǔ)課，是電力電子與電力傳動(dòng)、柔性輸配電技術(shù)的理論基礎(chǔ)。課程涉及控制理論、電力學(xué)和電子學(xué)等學(xué)科，涵蓋知識(shí)面廣，難度大［1－3］。在課堂教學(xué)中，教師講解過程困難，學(xué)生學(xué)習(xí)比較吃力;加上模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)資源稀缺、互動(dòng)性差，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)基本原理的理解不清楚，難以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標(biāo)。針對(duì)這些問題，積極改革教學(xué)方法，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)模式，是提高課程教學(xué)質(zhì)量的迫切需要［4－6］。

仿真軟件的應(yīng)用有利于教師引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)思維方法來分析問題和解決問題，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，并能彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的不足，對(duì)課程學(xué)習(xí)起到事半功倍的效果［7－11］。本文提出采用EMTP軟件進(jìn)行《電力電子技術(shù)》課程的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，該軟件平臺(tái)能對(duì)任意電力電子電路進(jìn)行建模、控制算法驗(yàn)證，還能應(yīng)用于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模和暫態(tài)分析，是電氣工程專業(yè)通用的軟件平臺(tái)［12］。此外，它還可以隨意改變電路和控制參數(shù)，交互性好，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，極大地改善了教學(xué)效果。

1 EMTP簡(jiǎn)介

EMTP是加拿大H.W.Dommel教授首創(chuàng)的電磁暫態(tài)分析軟件，具有分析功能多、元件模型全和運(yùn)算結(jié)果精確等優(yōu)點(diǎn)，是一種進(jìn)行電力電子和電力系統(tǒng)仿真的強(qiáng)大工具。它包含由多個(gè)集中元件、分布參數(shù)、線性與非線性元件、依賴于頻率變化的線路、各類型開關(guān)、電力電子元件、變壓器及電機(jī)、多種類型電源、控制電路的任意組合而成的不同網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。程序使用稀疏矩陣技術(shù)簡(jiǎn)化了計(jì)算，大幅度減少了存儲(chǔ)單元及計(jì)算時(shí)間。一般的電氣電子線路，以及能等價(jià)地用電氣電路來分析的任何問題，都可以用EMTP來求解［12］。

ATP(alternative transients program)是EMTP的免費(fèi)獨(dú)立版本，是目前世界上電磁暫態(tài)分析程序使用最廣泛的一個(gè)版本，可以模擬復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)和任意結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)［12］。ATP配備了通用模型描述語言MODELS及圖形輸入程序ATPDraw。由于EMTP元件庫(kù)中沒有Buck和Boost電路及其控制系統(tǒng)的模型，因此，文中采用EMTP－ATP為仿真平臺(tái)對(duì)斬波電路進(jìn)行分析，并采用EMTP中的TACS(transient analysis of control systems)功能進(jìn)行斬波電路模型開發(fā)［12］。

2 EMTP在電力電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用案例

直流斬波電路(DC chopper)的功能是將直流電變成另一種固定電壓或可調(diào)電壓的直流電，也稱為直流－直流變換器(DC/DC converter)。斬波電路種類較多，包括:降壓斬波電路、升壓斬波電路、升降壓斬波電路、Cuk斬波電路、Sepic斬波電路和Zeta斬波電路，其中，前兩種是理解斬波電路的基礎(chǔ)。本文以降壓斬波電路(Buck)和升壓斬波電路(Boost)為例進(jìn)行EMTP軟件應(yīng)用的教學(xué)分析。

2.1 降壓斬波電路(Buck)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

圖1為降壓斬波電路(Buck)示意圖，其中，T1為全控型電力電子器件 IGBT，也可使用晶閘管(則需設(shè)置使晶閘管關(guān)斷的輔助電路)。在圖1中，為在T1關(guān)斷時(shí)電感電流提供通道，設(shè)置了續(xù)流二極管D1。降壓斬波電路主要用于拖動(dòng)直流電機(jī)，也可為蓄電池充電。

圖1 降壓斬波電路(Buck)示意圖

2.1.1 降壓斬波電路(Buck)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

1)當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí)，電感L的電流滿足如下方程:

式中:iL為電感電流;vL為電感電壓;v(t)為RC負(fù)載的電壓。因此，電感L的電流可以表示為:

負(fù)載電容電壓可以表示為:

式中:Ton為IGBT在一個(gè)周期內(nèi)的開通時(shí)間。

2)當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，電感L的電流滿足如下方程:

因此，電感L的電流可以表示為:

式中:T為IGBT的開關(guān)周期。

負(fù)載電容電壓可以表示為:

2.1.2 降壓斬波電路(Buck)的EMTP模型

由式(2)和式(5)可知，電感電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)為分段函數(shù)，可以用EMTP中TACS60元件來建模，得到電感電流iL，如圖2中“電感電流模擬”框圖所示;由式(3)和式(6)可知，負(fù)載電容電壓可以通過對(duì)電流iC分段積分得到，其EMTP模型如圖2中“電容電壓模擬”框圖所示。考慮到電感電流連續(xù)，其參考值iLref與實(shí)際值iL求偏差，得到偏差電流ierr，設(shè)置滯環(huán)寬度為1 A，可以根據(jù)ierr≥0.5 A或ierr≤－0.5 A為判斷條件，實(shí)現(xiàn)滯環(huán)電流控制功能，其EMTP模型如圖2中“滯環(huán)控制”框圖所示。

圖2 降壓斬波電路(Buck)的EMTP模型

2.1.3 降壓斬波電路(Buck)仿真測(cè)試與分析

降壓斬波電路EMTP模型參數(shù)為:輸入電源電壓Vg=100 V;負(fù)載電阻R=10 Ω;負(fù)載電容C=500 μF;電感 L=50 μH;電感電流參考值 iLref=5 A;輸出電壓參考值Vout=50 V;滯環(huán)寬度為1 A;仿真步長(zhǎng)為0.05 μs。在EMTP軟件中對(duì)降壓斬波電路輸出特性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，電感L電流平均值為5 A，上下波動(dòng)0.5 A，驗(yàn)證了電流閉環(huán)控制的滯環(huán)寬度為1 A。由圖·可知，IGBT和二極管交替導(dǎo)通，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，直流電源為電感和RC負(fù)載充電，電流iS變化率為正;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，二極管續(xù)流，二極管電流iD變化率為負(fù)。此時(shí)，電容電流iC為鋸齒波，在一個(gè)開關(guān)周期平均值為零，電阻電流為5A直流，即等于電感電流的參考值。

圖3 降壓斬波電路電流跟蹤特性的EMTP仿真結(jié)果

2.2 升壓斬波器(Boost)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)例

圖4為升壓斬波電路(Boost)示意圖，其中，T1為全控型電力電子器件IGBT。在圖4中，假設(shè)電感L和電容C很大，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，電源向L充電，同時(shí)C上的電壓向負(fù)載供電;當(dāng)IGBT截止時(shí)，電源和L共同向C充電，并向負(fù)載R提供能量。

圖4 升壓斬波電路(Buck)示意圖

2.2.1 升壓斬波電路(Boost)數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

1)當(dāng)T1導(dǎo)通時(shí)，電感L的電流滿足如下方程:

式中:iL為電感電流;Vg為電源電壓;電感L的電流可以表示為:

負(fù)載電容電壓可以表示為:

式中:Ton為IGBT在一個(gè)周期內(nèi)的開通時(shí)間。

2)當(dāng)T1關(guān)斷時(shí)，電感L的電流滿足如下方程:

因此，電感L的電流可以表示為:

式中:T為IGBT的開關(guān)周期。

負(fù)載電容電壓可以表示為:

2.2.2 升壓斬波電路(Boost)的EMTP模型

由式(8)和式(11)可知，電感電流在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)為分段函數(shù)，可以用EMTP中TACS60元件來建模，得到電感電流iL，如圖5中“電感電流模擬”框圖所示;由式(9)和式(12)可知，負(fù)載電容電壓可以通過對(duì)電流iC分段積分得到，其EMTP模型如圖5中“電容電壓模擬”框圖所示。考慮到電感電流連續(xù)，其參考值iLref與實(shí)際值iL求偏差，得到偏差電流ierr，設(shè)置滯環(huán)寬度為1 A，可以根據(jù)ierr≥0.5 A或ierr≤－0.5 A為判斷條件，實(shí)現(xiàn)滯環(huán)電流控制功能，其EMTP模型如圖5中“滯環(huán)控制”框圖所示。

圖5 升壓斬波電路(Buck)的EMTP模型

2.2.3 升壓斬波電路(Boost)仿真測(cè)試與分析

升壓斬波電路EMTP模型參數(shù)為:輸入電源電壓Vg=100 V;負(fù)載電阻R=100 Ω;負(fù)載電容C=10 μF;電感L=200 μH;電感電流參考值 iLref=4 A;輸出電壓參考值Vout=200 V;滯環(huán)寬度1 A;仿真步長(zhǎng)0.05 μs。在EMTP軟件中對(duì)升壓斬波電路輸出特性進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 升壓斬波電路電流跟蹤特性的EMTP仿真結(jié)果

由圖6可知，電感L電流平均值為4 A，上下波動(dòng)0.5 A，驗(yàn)證了電流閉環(huán)控制的滯環(huán)寬度為1 A。由圖4可知，IGBT和二極管交替導(dǎo)通，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，直流電源為電感L充電，電流iS變化率為正;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，直流電源和電感的儲(chǔ)能經(jīng)過二極管向RC負(fù)載供電，起到電壓泵升作用，且二極管電流iD變化率為負(fù)。仿真結(jié)果表明，負(fù)載電阻電流為2 A，但電容電流iC與Buck電路的情況不同。當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，電容儲(chǔ)能向負(fù)載R供電，此時(shí)，iC=－iR=－2 A;當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，電容電流為iC=iD－iR，在一個(gè)開關(guān)周期，平均值為零。

當(dāng)L=100 μH時(shí)，升壓斬波電路各參數(shù)的波形與L=200 μH時(shí)完全一致，只是IGBT的開關(guān)頻率有所增加，電感電流iL紋波頻率變?yōu)樵瓉淼?倍。仿真結(jié)果表明，可以靈活地改變感興趣的參數(shù)，在EMTP平臺(tái)上研究Buck和Boost斬波電路的工作特性。

3 結(jié)束語

將EMTP軟件引入《電力電子技術(shù)》的輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)，加深了學(xué)生對(duì)電力電子技術(shù)相關(guān)知識(shí)的理解和把握，培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)課程的學(xué)習(xí)興趣，顯著改善了教學(xué)效果，提高了教學(xué)質(zhì)量。這對(duì)《電力電子技術(shù)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種創(chuàng)新和有益的探索，也為電氣工程相關(guān)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的方法。該方法的應(yīng)用為學(xué)生順利完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目和畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)，也起到開闊學(xué)生視野、培養(yǎng)科研能力、增強(qiáng)就業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要作用。

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