電力電子技術(shù)課程的應(yīng)用電路仿真教學(xué)實踐

王 文，湯 賜

(長沙理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 長沙 410000)

作為電力電子與電力傳動專業(yè)核心課程，電力電子技術(shù)在高校電氣工程專業(yè)課程體系中占有重要地位[1－3]。由于該課程具有較強的工程應(yīng)用背景，與工程實際結(jié)合緊密的應(yīng)用電路講授顯得尤為重要。但是，由于教材選擇、大綱編排、實驗設(shè)計等方面存在的諸多問題，應(yīng)用電路教學(xué)未得到足夠的重視。教材選擇方面，機械工業(yè)出版社出版的《電力電子技術(shù)》一書應(yīng)用較為廣泛，該教材花費大量篇幅介紹晶閘管等半控器件，對應(yīng)用更加廣泛的全控器件的介紹，特別是全控器件的應(yīng)用電路介紹存在明顯不足。大綱編排方面，由于課時數(shù)的限制，課程偏重于介紹基礎(chǔ)電路原理，對于應(yīng)用電路缺乏足夠的介紹，無法使學(xué)生對電力電子系統(tǒng)形成完整的認(rèn)識[4－5]。實驗設(shè)計方面，受限于財力不足、專職實驗人員缺乏、主觀上忽視實驗等原因，該課程實驗缺乏對實際應(yīng)用電路的足夠訓(xùn)練，與當(dāng)前工程應(yīng)用脫節(jié)嚴(yán)重，無法提起學(xué)生對課程的興趣。同時，由于培養(yǎng)方案的限制，該課程講授的重點集中于電路原理方面，而對電力系統(tǒng)和控制理論方面的介紹嚴(yán)重不足，與電力電子先驅(qū)William E.Newell博士所提出的 “電力電子技術(shù)是電子、電力和控制三大學(xué)科的交叉”[6－8]不相稱，造成學(xué)生對該課程的理解過于片面。

在課程資源有限的前提下，電力電子仿真軟件提供了讓學(xué)生加深對應(yīng)用電力電子電路理解的工具，能夠讓學(xué)生對該課程形成更加完整、全面和深入的認(rèn)識。本文選擇電力電子常用仿真工具PSIM軟件[9－12]，以電力電子系統(tǒng)的典型應(yīng)用電路——有源電力濾波器為例，深入分析應(yīng)用電路在電力電子技術(shù)課程教學(xué)中的教學(xué)內(nèi)容選擇及教學(xué)設(shè)計方法。

1 應(yīng)用電路仿真教學(xué)設(shè)計

以下從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容選擇、知識點歸納3個方面說明有源電力濾波器應(yīng)用電路仿真教學(xué)的設(shè)計原則。

1)該教學(xué)內(nèi)容的總體目標(biāo)。

提高學(xué)生綜合運用知識的能力，增進學(xué)生對工程應(yīng)用電路的理解，增強學(xué)生對電力電子技術(shù)課程的興趣。

圖1 仿真系統(tǒng)電路圖

2)應(yīng)用電路的選擇依據(jù)。

首先，電路控制方法選擇應(yīng)避免過于深奧的算法，如瞬時無功理論(需要電機學(xué)中的坐標(biāo)變換等知識)、智能控制方法等；其次，應(yīng)選擇工程上常見、實用的電路，避免已經(jīng)過時的電路，如晶閘管相控電路等；最后，應(yīng)簡化電路模型，突出電力電子電路功能，使學(xué)生的注意力集中于電力電子電路本身。

3)知識點歸納。

①電力系統(tǒng)方面包括電能質(zhì)量定義、諧波定義、諧波危害、常見非線性負(fù)載、有源電力濾波器在電力系統(tǒng)中的作用、公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。

②電路結(jié)構(gòu)方面包括電網(wǎng)、負(fù)載的等效電路，有源濾波器的構(gòu)成及其組成部分的作用。

③控制方法方面包括控制系統(tǒng)基本原理、負(fù)載諧波電流檢測方法、PWM原理。

2 應(yīng)用電路仿真課程教學(xué)安排

2.1 原理講解

本文在電力電子仿真軟件PSIM中搭建系統(tǒng)并生成仿真結(jié)果。在課堂教學(xué)中，首先介紹仿真系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該仿真系統(tǒng)由電源、系統(tǒng)阻抗、非線性負(fù)載與有源電力濾波器組成。系統(tǒng)線路與負(fù)載、有源電力濾波器并聯(lián)連接于同一母線；然后說明有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)，即由IGBT和反并聯(lián)二極管作為基本單元的三相全橋逆變器、直流母線電容及輸出電抗器構(gòu)成；最后說明有源電力濾波器的原理，即檢測負(fù)載諧波與無功電流，通過控制開關(guān)器件的通斷，使輸出電抗器上的電流跟蹤負(fù)載諧波與無功電流的相反數(shù)，從而達到降低電源支路諧波電流、提高線路功率因數(shù)的目的，課堂教學(xué)對其功能進行簡化，僅介紹諧波電流補償部分。

圖2 仿真系統(tǒng)電流及電壓波形

圖3 仿真系統(tǒng)電流頻譜圖

2.2 仿真參數(shù)及波形分析

有源電力濾波器仿真在表1所示參數(shù)下進行。

表1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

仿真系統(tǒng)電流電壓波形如圖2所示。從圖中可以看出，負(fù)載電流呈現(xiàn)出典型的非線性特征，結(jié)合課程知識可知，其中含有豐富的6k±1次諧波。與負(fù)載電流相對應(yīng)，有源電力濾波器輸出電流也具有嚴(yán)重的非線性，理論分析可知，該電流與負(fù)載電流諧波具有相反的方向，從而可以抵消負(fù)載電流對電網(wǎng)電流的影響。電網(wǎng)電流波形呈現(xiàn)出平滑的50 Hz正弦波，說明了有源電力濾波器對負(fù)載諧波電流的補償效果。圖2同時說明有源電力濾波器穩(wěn)定工作的一個條件是直流側(cè)電容電壓，仿真中該電壓值穩(wěn)定在830 V左右。

通過電流頻譜可以更準(zhǔn)確地說明有源電力濾波器的諧波補償效果，從圖3的電流頻譜可以看出，負(fù)載電流諧波成分與理論分析一致，其幅值符合與諧波次數(shù)成反比的規(guī)律。有源電力濾波器輸出電流各次諧波在幅值上與負(fù)載電流諧波相近，說明有源電力濾波器能夠有效跟蹤負(fù)載諧波電流值。電網(wǎng)電流頻譜中幾乎沒有諧波成分，再次說明有源電力濾波器對負(fù)載電流諧波的補償效果。

2.3 教學(xué)難點解析

1)PWM原理:即面積相等的窄脈沖作用在具有慣性的環(huán)節(jié)上的效果相同。對應(yīng)于三角載波調(diào)制，定義中的兩個窄脈沖為調(diào)制波在單個三角載波周期內(nèi)的不規(guī)則波形和經(jīng)過三角載波比較后生成的規(guī)則脈沖波，經(jīng)等效后的規(guī)則脈沖波通過一定的驅(qū)動電路可以控制開關(guān)器件的通斷，其輸出電壓波形與驅(qū)動脈沖形狀一致，僅對幅值進行放大，從而起到對調(diào)制波放大的效果，該放大后的電壓作用于輸出電抗器，可用于控制電抗器上的電流。

2)控制系統(tǒng)介紹:有源電力濾波器控制系統(tǒng)包括諧波電流檢測、電抗器輸出電流反饋、電流控制器、控制對象等部分，其中諧波電流檢測和電流控制器設(shè)計是影響控制系統(tǒng)性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。為了簡化分析，電流控制器可采用比例控制器?？刂茖ο笥赡孀兤骱洼敵鲭娍蛊鞴餐瑯?gòu)成，等效控制模型為具有延時的慣性環(huán)節(jié)。

3)諧波電流檢測原理:為了簡化分析，課程教學(xué)可采用帶通濾波器，將負(fù)載電流工頻信號濾出后，與該電流作差，從而得到負(fù)載電流諧波分量，將該電流作為有源電力濾波器輸出電流參考信號。本文仿真模型所采用的帶通濾波器通帶寬度為20 Hz，中心頻率為50 Hz。

4)APF評價指標(biāo):主要包括電網(wǎng)電流諧波總畸變率(total harmonic distortion，THD)、電網(wǎng)電壓THD、電網(wǎng)功率因數(shù)、響應(yīng)速度等。提高APF性能指標(biāo)的途徑，包括增大采樣頻率、增大開關(guān)頻率、提高直流側(cè)電容值、采用LC或LCL型輸出濾波器。其中，增大采樣頻率可以提高有源電力濾波器控制系統(tǒng)帶寬，擴大諧波補償范圍，提高控制系統(tǒng)響應(yīng)速度；增大開關(guān)頻率可以降低有源電力濾波器輸出電流開關(guān)頻率次諧波含量，減小電網(wǎng)電流THD；提高直流側(cè)電容值可以降低直流側(cè)電壓紋波，提高諧波補償精度；采用LC或LCL型輸出濾波器可以提高有源電力濾波器控制系統(tǒng)抗干擾能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。

2.4 教學(xué)實踐驗證

從事電力電子技術(shù)教學(xué)工作多年，通過與學(xué)生的深入交流，發(fā)現(xiàn)在教學(xué)內(nèi)容中適當(dāng)增加應(yīng)用電路仿真的介紹非常有利于學(xué)生對課程主要知識點的掌握，并能提高綜合應(yīng)用這些知識點的能力。以有源電力濾波器拓?fù)錇槔ㄟ^該應(yīng)用電路仿真模型的講解，學(xué)生可以加深對不可控整流電路、三相逆變電路、PWM調(diào)制技術(shù)等課程核心知識點的認(rèn)知，進而理解典型非線性負(fù)載的諧波和功率因數(shù)、逆變器電流跟蹤控制技術(shù)，并對該應(yīng)用電路主電路與控制器參數(shù)設(shè)計具有初步的認(rèn)識。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合電力電子技術(shù)實驗課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生基本可以掌握三相逆變系統(tǒng)的原理與設(shè)計方法，為后續(xù)的深入研究打下堅實的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

應(yīng)用電路仿真教學(xué)可以提高學(xué)生對電力電子技術(shù)應(yīng)用的感性認(rèn)識，鞏固并加深學(xué)生對電力系統(tǒng)、電子技術(shù)、控制理論的理解和綜合運用能力。本文以有源電力濾波器進行諧波電流補償為例，說明了應(yīng)用電路仿真在電力電子技術(shù)教學(xué)中的設(shè)計與實施過程，有助于提高電力電子技術(shù)課程教學(xué)的實用化和工程化水平。

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