PLECS仿真平臺(tái)在電力電子調(diào)制實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

李新旻　張國(guó)政　周湛清　喻麗紅

摘 要 在“電氣工程仿真計(jì)算”和“工程編程”等電氣工程學(xué)科的課程中，本文設(shè)計(jì)了基于Z源變換器的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案，分析了Matlab仿真平臺(tái)在載波調(diào)制環(huán)節(jié)的量化誤差，提出在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入PLECS仿真計(jì)算平臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案使學(xué)生能夠在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中簡(jiǎn)便地獲得正確的仿真計(jì)算結(jié)果，并加深學(xué)生對(duì)量化誤差的理解。

關(guān)鍵詞 PLECS仿真 電力電子技術(shù) 調(diào)制技術(shù) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：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

“電氣工程仿真計(jì)算”和“工程編程”課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課程，[1]上述課程內(nèi)容包括電力電子變換器的仿真、各種類型電機(jī)系統(tǒng)的仿真模擬，課程要求學(xué)生在修完高級(jí)編程語(yǔ)言、電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、電路等專業(yè)課程之后學(xué)習(xí)?，F(xiàn)有課程體系主要基于Matlab仿真計(jì)算平臺(tái)展開(kāi)，講授環(huán)節(jié)主要首先介紹MATLAB軟件編程基礎(chǔ)、Simulink的基礎(chǔ)應(yīng)用知識(shí)、以及SimPowerSystems仿真工具箱。實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)圍繞電力電子變換中的直流變換器、整流器、逆變器展開(kāi)，對(duì)電力電子技術(shù)中的常見(jiàn)動(dòng)穩(wěn)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析，構(gòu)建直流電機(jī)和異步電機(jī)的Matlab/Simulink仿真模型，并對(duì)交流電機(jī)的動(dòng)穩(wěn)態(tài)特性進(jìn)行分析，從而展示直流電機(jī)和異步電機(jī)的工作特性、起動(dòng)過(guò)程、制動(dòng)過(guò)程等關(guān)鍵階段。

電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)常要求學(xué)生搭建仿真模型，并對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行仿真計(jì)算，仿真結(jié)果一般作為驗(yàn)證理論正確性和方法有效性的重要支撐?！半姎夤こ谭抡嬗?jì)算”和“工程編程”這兩門課程為電氣專業(yè)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。但是，Matlab/Simulink仿真軟件在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在諸多局限，主要體現(xiàn)在：（1）SimPowerSystems仿真工具箱難以仿真電力電子器件開(kāi)關(guān)動(dòng)態(tài)過(guò)程；（2）SimPowerSystems仿真工具箱對(duì)電機(jī)系統(tǒng)的聯(lián)合仿真優(yōu)化程度不足，難以仿真電機(jī)系統(tǒng)中的瞬變過(guò)程；（3）受限于計(jì)算機(jī)的計(jì)算速度，SimPowerSystems仿真工具箱的計(jì)算步長(zhǎng)存在局限性，過(guò)短的計(jì)算步長(zhǎng)將導(dǎo)致計(jì)算機(jī)分配給Matlab軟件的存儲(chǔ)空間溢出，也將導(dǎo)致仿真時(shí)間冗長(zhǎng)的問(wèn)題；然而，過(guò)長(zhǎng)的計(jì)算步長(zhǎng)難以模擬電力電子變換器的過(guò)渡過(guò)程，同時(shí)也對(duì)電力電子變換器中PWM脈寬調(diào)制的輸出脈沖精度帶來(lái)嚴(yán)重影響。

本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)中經(jīng)常涉及電機(jī)系統(tǒng)起動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)抑制的相關(guān)課題，Matlab/Simulink所存在上述問(wèn)題在開(kāi)展以上課題的過(guò)程中被凸顯。此外，在開(kāi)展電力電子變換器調(diào)制技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，上述問(wèn)題也已影響實(shí)驗(yàn)教學(xué)的正常完成。在Matlab仿真平臺(tái)下，在理論推導(dǎo)和方法設(shè)計(jì)均正確，且模型結(jié)構(gòu)和參數(shù)基本合理的情況下，學(xué)生卻卻不能得到正確的仿真結(jié)果。

除了Matlab這一常用軟件，近年來(lái)國(guó)外出現(xiàn)了以“PLECS”、“PSIM”、“Simplore”、“Labview”為代表的系統(tǒng)級(jí)仿真軟件，[2]這些仿真軟件能夠從各自角度部分解決Matlab/Simulink存在的問(wèn)題。這些系統(tǒng)級(jí)仿真軟件的出現(xiàn)為改變本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)存在的問(wèn)題提供了解決方案和突加，在此背景下，有必要對(duì)“電氣工程仿真計(jì)算”和“工程編程”課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行改革。本文將重點(diǎn)引入PLECS仿真軟件，并介紹該軟件在解決使用Matlab/Simulink“計(jì)算步長(zhǎng)”受限方面的作用。PLECS是由瑞士Plexim公司開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)級(jí)電力電子仿真軟件，由于其發(fā)展初期依托于Matlab運(yùn)行環(huán)境，故其能夠兼容于Simulink運(yùn)行環(huán)境，但其自身的元器件建模獨(dú)樹一幟，具有簡(jiǎn)約化的特點(diǎn)。[3-4]

1 基于Z源變換器的電力電子調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

為了使學(xué)生能夠接觸學(xué)科前沿研究?jī)?nèi)容，在“電氣工程仿真計(jì)算”和“工程編程”課程的調(diào)制技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中選用一種較新型的變流器——Z源逆變器，該逆變器在傳統(tǒng)電壓源逆變器前端增加了對(duì)稱阻抗網(wǎng)絡(luò)，允許逆變器橋臂直通，并能有效利用該直通態(tài)實(shí)現(xiàn)母線電壓泵升，從而實(shí)現(xiàn)了輸出電壓范圍拓展，其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)中使用的Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

Z源逆變器采用對(duì)稱的阻抗網(wǎng)絡(luò)，即電感值L1=L2=L，電容值C1=C2=C。根據(jù)Z源逆變器是否直通可將其工作狀態(tài)劃分為直通態(tài)和非直通態(tài)。其中Tc和Tsh分別為控制周期和一個(gè)控制周期內(nèi)直通矢量的作用時(shí)間，定義dsh=Tsh/Tc為直通矢量占空比。當(dāng)輸入電壓Uin一定時(shí)，穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下Z源逆變器母線電壓幅值udc和直通矢量占空比dsh存在如下關(guān)系：

仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，課程要求學(xué)生利用仿真軟件搭建仿真模型，并驗(yàn)證式（1）給出的電壓輸入—輸出關(guān)系。

2 仿真中量化誤差的分析

在仿真模型中，占空比為dsh的開(kāi)關(guān)脈沖將通過(guò)調(diào)制波和三角載波比較產(chǎn)生。然而，當(dāng)采用定步長(zhǎng)離散化的計(jì)算方式進(jìn)行仿真時(shí)，如圖2所示，理想三角載波被量化為階梯載波形式，這使得直通信號(hào)變?yōu)楦唠娖降淖饔脮r(shí)間偏離理想設(shè)定值，進(jìn)而導(dǎo)致直通矢量占空比量化誤差的出現(xiàn)。圖2中，直通脈沖為高電平表示逆變器處于直通狀態(tài)，低電平表示逆變器處于非直通狀態(tài)。

如圖2所示，實(shí)際直通脈沖與理想直通脈沖的高電平時(shí)間偏差為Tsh，控制周期為Tc，仿真計(jì)算步長(zhǎng)為Ts，則最大直通矢量占空比量化誤差可表示為

式（2）中，fc為控制頻率，且滿足fc=1/Ts，由該式可知：當(dāng)控制頻率一定時(shí)，直通矢量占空比的最大量化誤差將與仿真計(jì)算步長(zhǎng)Ts成正比。因此，仿真計(jì)算步長(zhǎng)越大，則仿真中Z源逆變器輸出母線電壓的幅值誤差越大。

3 仿真結(jié)果與對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，首先采用Matlab/Simulink對(duì)Z源逆變器進(jìn)行仿真分析，仿真步長(zhǎng)設(shè)為Ts=2e-6s，控制周期設(shè)為Tc=2e-4s，輸入電壓Uin=200V，控制方式采用開(kāi)環(huán)控制，直通矢量占空比dsh=0.25。Matlab仿真結(jié)果如圖3（a）所示，圖中給出了Z源網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓波形。

由于Uin=200V，dsh=0.25，故由式（1）可知，當(dāng)Z源逆變器穩(wěn)定工作時(shí)，Z源網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓幅值理論值為udc=400V。然而，如圖3（a）所示仿真結(jié)果，仿真計(jì)算得到的輸出電壓幅值為udc=385V。在調(diào)制環(huán)節(jié)量化誤差的影響下，電壓的幅值出現(xiàn)了3.75%的誤差。若采用更長(zhǎng)的仿真計(jì)算步長(zhǎng)Ts或更高的控制頻率fc，該誤差會(huì)進(jìn)一步增加。然而，在實(shí)驗(yàn)室機(jī)房條件下，采用更短的仿真計(jì)算步長(zhǎng)將導(dǎo)致仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以及存儲(chǔ)器溢出。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生將產(chǎn)生疑惑，需要對(duì)其詳細(xì)解釋誤差的成因。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，若采用PLECS軟件搭建相同的仿真模型，由于該仿真平臺(tái)更為簡(jiǎn)潔，仿真計(jì)算步長(zhǎng)可以很容易被設(shè)為Ts=1e-7s，在相同的機(jī)房條件下，仿真計(jì)算過(guò)程耗時(shí)較短，且不會(huì)出現(xiàn)存儲(chǔ)器溢出的現(xiàn)象。PLECS仿真結(jié)果如圖3（b）所示，圖中同樣給出了Z源網(wǎng)絡(luò)輸出的電壓波形，而仿真計(jì)算得到的輸出電壓幅值為udc=400V，該結(jié)果與理論計(jì)算值相同，即調(diào)制環(huán)節(jié)量化誤差的影響已經(jīng)可以忽略。因此，使用PLECS軟件，一方面可以快速得到與理論值接近的仿真計(jì)算結(jié)果；另一方面，通過(guò)與Matlab軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，可以加深學(xué)生對(duì)量化誤差的理解。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，PLECS仿真軟件為“電氣工程仿真計(jì)算”和“工程編程”課程提供了新的仿真平臺(tái)，在相同仿真實(shí)驗(yàn)軟硬件條件下，對(duì)比Matlab/Simulink軟件，使用PLECS仿真計(jì)算軟件將允許設(shè)置更小的仿真步長(zhǎng)，而仿真步長(zhǎng)的減小有助于減小電力電子調(diào)制環(huán)節(jié)的量化誤差，使仿真計(jì)算結(jié)果與理論值更接近，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中同時(shí)使用上述兩種軟件，一方面便于學(xué)生快速獲得正確的仿真計(jì)算結(jié)果，另一方面也加深學(xué)生對(duì)量化誤差的理解。

基金項(xiàng)目：天津市教委科研計(jì)劃項(xiàng)目（2018KJ208，2018KJ207）；天津工業(yè)大學(xué)“師生合作”教學(xué)資源建設(shè)課題項(xiàng)目（2017-SYJ-18，2017-SYJ-16）；天津工業(yè)大學(xué)高等教育教學(xué)改革研究項(xiàng)目（2017-3-13）

參考文獻(xiàn)

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