韓 楊

(電子科技大學 機械電子工程學院，成都 611731)

《電力電子技術(shù)》是電氣工程與自動化專業(yè)必修的學科基礎課，是電力電子與電力傳動、柔性輸配電技術(shù)的理論基礎。課程涉及控制理論、電力學和電子學等學科，涵蓋知識面廣，難度大［1－3］。在課堂教學中，教師講解過程困難，學生學習比較吃力;加上模擬實驗平臺資源稀缺、互動性差，學生在實驗過程中對基本原理的理解不清楚，難以實現(xiàn)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的目標。針對這些問題，積極改革教學方法，借鑒國內(nèi)外先進的教學模式，是提高課程教學質(zhì)量的迫切需要［4－6］。

仿真軟件的應用有利于教師引導學生用科學思維方法來分析問題和解決問題，提高學生的學習能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，并能彌補實驗設施的不足，對課程學習起到事半功倍的效果［7－11］。本文提出采用EMTP軟件進行《電力電子技術(shù)》課程的輔助實驗教學，該軟件平臺能對任意電力電子電路進行建模、控制算法驗證，還能應用于電力系統(tǒng)動態(tài)建模和暫態(tài)分析，是電氣工程專業(yè)通用的軟件平臺［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)學生的學習興趣，極大地改善了教學效果。

1 EMTP簡介

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、元件模型全和運算結(jié)果精確等優(yōu)點，是一種進行電力電子和電力系統(tǒng)仿真的強大工具。它包含由多個集中元件、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、電力電子元件、變壓器及電機、多種類型電源、控制電路的任意組合而成的不同網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。程序使用稀疏矩陣技術(shù)簡化了計算，大幅度減少了存儲單元及計算時間。一般的電氣電子線路，以及能等價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的免費獨立版本，是目前世界上電磁暫態(tài)分析程序使用最廣泛的一個版本，可以模擬復雜網(wǎng)絡和任意結(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為仿真平臺對斬波電路進行分析，并采用EMTP中的TACS(transient analysis of control systems)功能進行斬波電路模型開發(fā)［12］。

2 EMTP在電力電子實驗教學中的應用案例

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。本文以降壓斬波電路(Buck)和升壓斬波電路(Boost)為例進行EMTP軟件應用的教學分析。

2.1 降壓斬波電路(Buck)仿真實驗教學實例

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(則需設置使晶閘管關斷的輔助電路)。在圖1中，為在T1關斷時電感電流提供通道，設置了續(xù)流二極管D1。降壓斬波電路主要用于拖動直流電機，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)學模型推導

1)當T1導通時，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負載的電壓。因此，電感L的電流可以表示為:

負載電容電壓可以表示為:

式中:Ton為IGBT在一個周期內(nèi)的開通時間。

2)當T1關斷時，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的開關周期。

負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，電感電流在一個開關周期內(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，負載電容電壓可以通過對電流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?？紤]到電感電流連續(xù)，其參考值iLref與實際值iL求偏差，得到偏差電流ierr，設置滯環(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;負載電阻R=10 Ω;負載電容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;仿真步長為0.05 μs。在EMTP軟件中對降壓斬波電路輸出特性進行仿真實驗，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0.5 A，驗證了電流閉環(huán)控制的滯環(huán)寬度為1 A。由圖·可知，IGBT和二極管交替導通，當IGBT導通時，直流電源為電感和RC負載充電，電流iS變化率為正;當IGBT關斷時，二極管續(xù)流，二極管電流iD變化率為負。此時，電容電流iC為鋸齒波，在一個開關周期平均值為零，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)仿真實驗教學實例

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，假設電感L和電容C很大，當IGBT導通時，電源向L充電，同時C上的電壓向負載供電;當IGBT截止時，電源和L共同向C充電，并向負載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)學模型推導

1)當T1導通時，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:

負載電容電壓可以表示為:

式中:Ton為IGBT在一個周期內(nèi)的開通時間。

2)當T1關斷時，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的開關周期。

負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，電感電流在一個開關周期內(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，負載電容電壓可以通過對電流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?？紤]到電感電流連續(xù)，其參考值iLref與實際值iL求偏差，得到偏差電流ierr，設置滯環(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;負載電阻R=100 Ω;負載電容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0.05 μs。在EMTP軟件中對升壓斬波電路輸出特性進行仿真實驗，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0.5 A，驗證了電流閉環(huán)控制的滯環(huán)寬度為1 A。由圖4可知，IGBT和二極管交替導通，當IGBT導通時，直流電源為電感L充電，電流iS變化率為正;當IGBT關斷時，直流電源和電感的儲能經(jīng)過二極管向RC負載供電，起到電壓泵升作用，且二極管電流iD變化率為負。仿真結(jié)果表明，負載電阻電流為2 A，但電容電流iC與Buck電路的情況不同。當IGBT導通時，電容儲能向負載R供電，此時，iC=－iR=－2 A;當IGBT關斷時，電容電流為iC=iD－iR，在一個開關周期，平均值為零。

當L=100 μH時，升壓斬波電路各參數(shù)的波形與L=200 μH時完全一致，只是IGBT的開關頻率有所增加，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)》的輔助實驗教學，加深了學生對電力電子技術(shù)相關知識的理解和把握，培養(yǎng)了學生對課程的學習興趣，顯著改善了教學效果，提高了教學質(zhì)量。這對《電力電子技術(shù)》課程的實驗教學是一種創(chuàng)新和有益的探索，也為電氣工程相關課程的實驗教學提供了新的方法。該方法的應用為學生順利完成創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練項目和畢業(yè)設計奠定了良好的基礎，也起到開闊學生視野、培養(yǎng)科研能力、增強就業(yè)競爭力的重要作用。

［1］ 王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)［M］.4版.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［2］ 陳堅.電力電子學［M］.2版.北京:高等教學出版社，2004.

［3］ 賀益康，潘再平.電力電子技術(shù)［M］.北京:科學出版社，2004.

［4］ 劉宏達，蘭海，馬忠麗，等.培養(yǎng)大學生綜合素質(zhì)，改革電氣工程專業(yè)實驗教學模式［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28(3):127－131.

［5］ 江捷.淺析美國密西根州立大學ECE系本科課程設置［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29(2):173－176.

［6］ 李旭春，王春鳳.創(chuàng)新實踐教學，提高電力電子技術(shù)基礎課程教學效果［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29(7):11－13.

［7］ 萬志平.仿真軟件在電類課程教學中的應用［J］.實驗技術(shù)與管理，2009，26(4):76－79.

［8］ 王春鳳，李旭春，薛文軒，等.電力電子技術(shù)實驗教學改革的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2011，30(9):127－129.

［9］ 王武.基于Matlab和PLECS的電力電子仿真實驗教學［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28(6):110－112.

［10］ 傅永花，張波，丘東元.無功補償自動投切裝置——一個AC－AC變換器教學實例［J］.實驗技術(shù)與管理，2011，28(2):79－82.

［11］ 容軍，萬軍華，陳曦，等.計算機仿真技術(shù)在電力電子技術(shù)課堂教學難點中的應用［J］.實驗技術(shù)與管理，2012，29(8):103－105.

［12］ Dommel H W，Electromagnetic transient program reference manual(EMTP Theory Book)［M］.Portland:Bonneville Power Administration，1986.