李軍徽，嚴(yán)干貴，任先文，王建元，王汝田

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林吉林132012)

電力電子技術(shù)是以提高電能質(zhì)量及其使用效率為目標(biāo)的一門(mén)基礎(chǔ)性技術(shù)，隨著現(xiàn)代大功率電力電子器件制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)已成為現(xiàn)代電力工業(yè)實(shí)現(xiàn)“安全、高效、優(yōu)質(zhì)、可持續(xù)電能供應(yīng)”的重要技術(shù)支撐。由此，《電力電子技術(shù)》課程在“電氣工程及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)”人才培養(yǎng)方案課程體系中定位為重要的必修技術(shù)基礎(chǔ)課［1］，如何幫助學(xué)生建立清晰、準(zhǔn)確、扎實(shí)的電力電子技術(shù)的基本概念，使學(xué)生能夠勝任含電力電子控制器的電力系統(tǒng)運(yùn)行分析，確實(shí)起到“基礎(chǔ)性技術(shù)課程”的作用，是課程教學(xué)改革與研究的出發(fā)點(diǎn)。

電力電子電路實(shí)質(zhì)為非線(xiàn)性電路，為了分析清楚其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，往往需要繪制出相同時(shí)標(biāo)下的各電氣量變化曲線(xiàn)。板書(shū)授課方式雖然直觀(guān)清晰，但是費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在有限的課堂時(shí)間內(nèi)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(shí)間，但由于難以動(dòng)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(xué)亟需豐富的課外學(xué)習(xí)資源來(lái)加強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)效果，并向?qū)W生介紹目前電力電子技術(shù)發(fā)展的前沿技術(shù)以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣。另外，電力電子技術(shù)是一門(mén)實(shí)用性很強(qiáng)的課程，教學(xué)學(xué)時(shí)所限較少介紹電力電子技術(shù)的應(yīng)用，主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)來(lái)培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力。但是，實(shí)驗(yàn)室相對(duì)每屆500余名學(xué)生來(lái)說(shuō)場(chǎng)地狹小、實(shí)驗(yàn)器材極為有限，而且目前僅有的4個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容均為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，要開(kāi)展綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要更多的資金去實(shí)踐探索，并且需要更多的實(shí)驗(yàn)室老師指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)以免發(fā)生意外，這些顯然在短期內(nèi)是無(wú)法解決的。

數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)不受被研究系統(tǒng)規(guī)模和復(fù)雜性的限制，也不受場(chǎng)地等外界條件限制，可重復(fù)操作，成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。另一突出優(yōu)點(diǎn)還在于其絕對(duì)的安全性，不會(huì)因操作失誤而造成人身事故，可以在此仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)、開(kāi)展一些具有較強(qiáng)工程背景的綜合性、研究性實(shí)驗(yàn)，并以此可以讓學(xué)生接觸到目前電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)應(yīng)用中的前沿技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的濃厚興趣，并為以后從事相關(guān)的工作奠定扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和初步的科研能力［2－3］。

1 電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC簡(jiǎn)介［4－5］

1.1 軟件簡(jiǎn)介

Dennis Woodford博士于1976年在加拿大曼尼托巴水電局開(kāi)發(fā)完成了EMTDC(Electro-Magnetic Transient in DC system)的初版，是一種世界各國(guó)廣泛使用的電力系統(tǒng)仿真軟件，PSCAD是其用戶(hù)界面，PSCAD的開(kāi)發(fā)成功，使得用戶(hù)能更方便地使用EMTDC進(jìn)行電力系統(tǒng)分析，使電力系統(tǒng)復(fù)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(jìn)行電力系統(tǒng)時(shí)域和頻域計(jì)算仿真，典型應(yīng)用是計(jì)算電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)或參數(shù)變化時(shí)，電參數(shù)隨時(shí)間變化的規(guī)律;另外，PSCAD/EMTDC軟件包可以廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、FACTS控制器的設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)諧波分析及電力電子領(lǐng)域的仿真計(jì)算。

典型的研究包括:

(1)研究電力系統(tǒng)中由于故障或開(kāi)關(guān)操作引起的過(guò)電壓，也能模擬變壓器的非線(xiàn)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(diào)整和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)以達(dá)到最好的性能，多重運(yùn)行工具常被用來(lái)同時(shí)自動(dòng)調(diào)整增益和時(shí)間常數(shù);

(4)STATCOM或電壓源變流器的主電路建模，以及相關(guān)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(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)對(duì)電力網(wǎng)的沖擊影響等等。PSCAD/EMTDC有以下元件模型庫(kù):

(1)集中參數(shù)電阻R、電感L、電容C以及隨時(shí)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(zhuǎn)電機(jī)，包括三相同步電動(dòng)機(jī)、三相感應(yīng)電動(dòng)機(jī)以及模擬汽輪機(jī)、水輪機(jī)的調(diào)速器及交直流勵(lì)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(kù)，包括二極管、晶閘管、GTO、IGBT及避雷器模型庫(kù)，可以進(jìn)行電力電子仿真、模擬FACTS元件和HVDC特性;

(5)測(cè)量元件庫(kù)，包括單相電壓表、電流表、三相電壓表、瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率表;

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

(7)控制面板，包括滑動(dòng)觸頭、開(kāi)關(guān)、按鈕及調(diào)節(jié)控制盤(pán)，運(yùn)行中在線(xiàn)控制參數(shù)值。

2 電力電子仿真系統(tǒng)實(shí)例

東北電力大學(xué)《電力電子技術(shù)》課程組從2004年開(kāi)始進(jìn)行教學(xué)改革，以校級(jí)教改項(xiàng)目——《電力電子學(xué)課程內(nèi)容方法及手段的改革》(2004年)為發(fā)端，從授課內(nèi)容選擇、授課方法、課外資源開(kāi)發(fā)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)等方面開(kāi)展了系列改革。

經(jīng)過(guò)多年努力，在國(guó)際權(quán)威的電磁暫態(tài)仿真軟件PSCAD/EMTDC平臺(tái)，自行開(kāi)發(fā)了配合電力電子課程課堂教學(xué)的基本電力電子仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，包括單相、三相整流電路，直流斬波電路，交流調(diào)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上，緊密結(jié)合電氣工程的發(fā)展，開(kāi)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(shù)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(xué)生可以非常方便地觀(guān)察到變流電路工作過(guò)程中各電氣量的電磁暫態(tài)過(guò)程，進(jìn)而驗(yàn)證了變流電路工作過(guò)程分析的正確與否，并且熟練掌握數(shù)值仿真工具，為后續(xù)的畢業(yè)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究工作等奠定了重要的數(shù)字仿真基礎(chǔ)。力圖貫通與其他課程的聯(lián)系，為幫助學(xué)生深化理解諸多工程問(wèn)題提供了有效的手段，對(duì)夯實(shí)學(xué)生的基礎(chǔ)理論、提高其理論應(yīng)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(duì)“高功率因數(shù)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(jìn)行介紹。

2.1 高功率因數(shù)PWM整流電路仿真系統(tǒng)

針對(duì)傳統(tǒng)晶閘管相控整流器，功率因數(shù)很低、輸入電流諧波分量大、引起網(wǎng)側(cè)電壓波形畸變、閉環(huán)控制時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢等問(wèn)題，本仿真電路應(yīng)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(shí)現(xiàn)輸入電流正弦化、網(wǎng)側(cè)高功率因數(shù)控制和較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)控制，仿真電路及控制系統(tǒng)圖見(jiàn)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(cè)量模塊。通過(guò)整定PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，達(dá)到電壓外環(huán)使三相VSR直流側(cè)電壓穩(wěn)定、電流內(nèi)環(huán)按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流跟蹤且提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能的目標(biāo)。

圖1 三相高功率因數(shù)PWM整流器控制仿真模型

圖2 直流電壓響應(yīng)波形

圖3 階躍無(wú)功功率

從圖2和圖3的仿真結(jié)果可見(jiàn)，直流電壓調(diào)節(jié)時(shí)間7 ms，無(wú)功功率調(diào)節(jié)時(shí)間4 ms，在穩(wěn)態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)了兩者的獨(dú)立控制，在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)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(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)電力的需求進(jìn)一步加強(qiáng)，HVDC由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于遠(yuǎn)距離、大容量輸電，大區(qū)交流電網(wǎng)的互聯(lián)以及通過(guò)海底電纜向海島送電等場(chǎng)合。HVDC系統(tǒng)有多種類(lèi)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(xiàng)目以雙極2線(xiàn)不接地HVDC系統(tǒng)為例，開(kāi)展其運(yùn)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(jiàn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率傳輸?shù)目刂啤?/p>

圖4 雙極2線(xiàn)不接地HVDC仿真電路圖

本項(xiàng)目的研究主要內(nèi)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(xiàn)不接地HVDC系統(tǒng)運(yùn)行仿真;

(4)HVDC傳輸功率控制仿真及其校驗(yàn)。

圖5 傳輸功率波形

3 結(jié)論

通過(guò)上述利用PSCAD/EMTDC對(duì)“高壓直流輸電仿真系統(tǒng)研究”、“高功率因數(shù)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(xué)，不僅具有建模簡(jiǎn)單、更改參數(shù)方便，仿真波形豐富、生動(dòng)、直觀(guān)，能增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)本課程的興趣，促進(jìn)學(xué)生更好地理解掌握電力電子電路基本原理等優(yōu)點(diǎn);還可節(jié)約老師畫(huà)圖時(shí)間，有利于老師更好地掌控課堂教學(xué)。作為電氣類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，將PSCAD/EMTDC用于專(zhuān)業(yè)課的課程設(shè)計(jì)，應(yīng)用在電能質(zhì)量控制領(lǐng)域，可提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的理解，填補(bǔ)了模擬實(shí)驗(yàn)裝置的不足。

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

［2］汪義旺，索跡.電力電子技術(shù)仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探討［J］.實(shí)驗(yàn)科學(xué)與儀器，2011，9(4):53－55.

［3］孫佐.基于PSCAD/EMTDC的電力電子技術(shù)仿真教學(xué)［J］.池州學(xué)院學(xué)報(bào)，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(wǎng)技術(shù)，2000，24(1):65－66.