電力電子技術(shù)教學(xué)中PSCAD/EMTDC的應(yīng)用

古斌+宗劍

【摘要】PSCAD/EMTDC軟件包因其使用方便及強(qiáng)大功能已在電力系統(tǒng)及電力電子等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)它也為高校電氣工程專業(yè)教師進(jìn)行教學(xué)及科研提供了一種有力的工具。本文闡述了PSCAD/EMTDC軟件包的功能和特點(diǎn)，討論了該仿真軟件于電力電子技術(shù)課程教學(xué)的相關(guān)應(yīng)用，并給出了基于PSCAD/EMTDC的三相橋式全控整流電路的“整流電路與諧波”案例教學(xué)的仿真分析算例。這種教學(xué)方法生動(dòng)形象，可較好地調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣及積極性，對(duì)學(xué)生更好地理解電力電子電路基本原理起到促進(jìn)作用。

【關(guān)鍵詞】PSCAD/EMTDC 電力電子 仿真教學(xué) 諧波分析

【中圖分類號(hào)】G642 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）08-0143-02

一、引言

《電力電子技術(shù)》課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)非常重要的必修課程之一。該課程的內(nèi)容比較多且復(fù)雜。另外該課程本身所涉及的技術(shù)也在不斷更新，這些都使得學(xué)生在學(xué)習(xí)這門課時(shí)感到較吃力，教師也在實(shí)際教學(xué)中感受到要很好地教授這門課的難度。如何使學(xué)生能較好地掌握《電力電子技術(shù)》這門重要的專業(yè)課程？將電力仿真軟件引進(jìn)到《電力電子技術(shù)》的教學(xué)課堂將在一定程度上使該課程的教學(xué)更加直觀，也更加能激發(fā)學(xué)生對(duì)該課程的學(xué)習(xí)積極性。

仿真軟件是用計(jì)算機(jī)仿真來(lái)進(jìn)行物理實(shí)際模擬的一種工具。PSCAD/EMTDC是一種應(yīng)用較為廣泛的電力仿真軟件，它可以用軟件模型來(lái)模擬復(fù)雜的電力電子系統(tǒng)，包括相關(guān)的控制系統(tǒng)，可較好地實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)電磁暫態(tài)模擬研究[1]。

二、PSCAD/EMTDC仿真軟件簡(jiǎn)介

PSCAD/EMTDC （全稱Power Systems Computer Aided Design）是世界上廣泛使用的電磁暫態(tài)仿真軟件， EMTDC是其仿真計(jì)算核心，PSCAD為EMTDC（Electromagnetic Transients including DC）提供圖形操作界面。

PSCAD/EMTDC采用時(shí)域分析求解完整的電力系統(tǒng)及電力電子系統(tǒng)的微分方程，結(jié)果不僅非常精確，更值得一提的是它允許用戶在的圖形界面下建立系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真分析，并允許在仿真過(guò)程中調(diào)節(jié)控制參數(shù)，這樣可直觀地觀察各種仿真結(jié)果和參數(shù)曲線，使用戶能體會(huì)到極大的仿真的樂(lè)趣并提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率。PSCAD里面提供豐富的元件庫(kù)，包括了電路、電力電子、電機(jī)等電氣工程學(xué)科中常用的元件模型[2]。

工程案例仿真的一般步驟是：項(xiàng)目文件的建立、選擇電路元件并設(shè)置其參數(shù)、系統(tǒng)搭建（元件連線）、設(shè)置仿真參數(shù)（仿真步長(zhǎng)仿真時(shí)間等）、仿真運(yùn)行、參數(shù)波形輸出、仿真結(jié)果分析等。

本文以PSCAD/EMTDC Professional Edition4.2版本為仿真平臺(tái)，以三相橋式全控整流電路為工程案例，通過(guò)該案例的仿真分析，以直觀的仿真結(jié)果來(lái)分析電力系統(tǒng)諧波的概驗(yàn)，達(dá)到了較好的教學(xué)效果。

三、基于PSCAD/EMTDC的三相橋式全控整流電路的“整流電路與諧波”案例教學(xué)

圖1為三相橋式全控整流電路仿真模型的單線圖。《電力電子技術(shù)》相應(yīng)章節(jié)告訴我們[3]，對(duì)于整流電路等非線性負(fù)載，其電網(wǎng)側(cè)的輸入電壓可近似視為正弦對(duì)稱，而其輸入電流則由于非線性負(fù)載的影響發(fā)生畸變，含有諧波成分。對(duì)于三相橋式整流電路，當(dāng)其負(fù)載為阻感型負(fù)載并且電感足夠大時(shí)，負(fù)載電流波形近似為一水平線，這反應(yīng)在輸入交流側(cè)其三相電流就為方波，對(duì)其進(jìn)行傅里葉分析可得式（1）。式中 為電網(wǎng)基波角頻率。由式（1）可見在三相橋式整流電路的交流輸入電流中除含有基波分量外，還含有5次、7次、11次、13次等諧波分量，并且這些諧波分量的幅值與諧波次數(shù)成反比。這些理論分析的結(jié)論可以由圖1的PSCAD仿真案例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，給學(xué)生一個(gè)直觀的印象。三相橋式全控整流電路帶阻感負(fù)載時(shí)觸發(fā)角移相范圍為90度，各晶閘管觸發(fā)角零度位置為相應(yīng)相電壓的交點(diǎn)處，圖2～5給出了觸發(fā)角分別為30度及60度的交流輸入側(cè)電壓、電流波形及電流的諧波分析。圖2顯示在A相電壓正向過(guò)零后30度時(shí)（A、C相電壓交點(diǎn)處）為整流橋A相共陰管觸發(fā)角零度位置，相應(yīng)的觸發(fā)角30度位置即離此處30度電角度位置，如圖為A相電流由零變化為正值的位置。同樣，圖4給出了觸發(fā)角為60度時(shí)交流輸入電壓、電流波形，由圖4明顯可看出觸發(fā)角為60度。另外圖3給出了30度觸發(fā)角時(shí)輸入交流電流諧波分析，仿真顯示基波、5次諧波及7次諧波幅值分別為43.5574A、8.68944A及6.1365A，顯然可看出5次諧波幅值為基波幅值的五分之一倍，7次諧波幅值為基波幅值的七分之一倍，和理論分析完全相符。由60度觸發(fā)角時(shí)輸入交流電流諧波分析知（圖5），基波、5次諧波及7次諧波幅值分別為25.0823A、4.9957A及3.60768A，也顯然符合理論分析的結(jié)論。

四、結(jié)論

本文給出了基于PSCAD/EMTDC平臺(tái)的三相橋式全控整流電路的建模及仿真過(guò)程。可以看出：應(yīng)用PSCAD/EMTDC仿真軟件對(duì)電力電子教學(xué)進(jìn)行輔助，有著建模方便、參數(shù)設(shè)置與更改簡(jiǎn)單，仿真波形生動(dòng)、豐富及直觀等特點(diǎn)，能極大激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)該課程的興趣，使得學(xué)生能更好地掌握、理解電力電子電路基本原理。

參考文獻(xiàn)：

[1]林良真，葉林.電磁暫態(tài)分析軟件包PscAD，EMTDc[J].電網(wǎng)技術(shù)， 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，黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.