PSIM軟件在電力電子技術課程教學中的應用研究

摘要：對PSIM軟件在電力電子技術課程教學改革實踐中的應用進行了研究。以并聯有源電力濾波器為例，在理論分析基礎上，建立了電力電子功率變換器與控制算法的仿真模型。仿真結果驗證了電路設計及控制算法的有效性，將PSIM軟件引入該課程，能夠引起學生對于電力電子技術的濃厚興趣，對于培養電力電子應用系統分析與設計的綜合能力有較好效果。

關鍵詞：電力電子；系統設計；仿真；教學改革

作者簡介：金楠（1982-），男，河南商丘人，鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，講師；楊存祥（1966-），男，河南臺前人，鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，教授。（河南 鄭州 450002）

基金項目：本文系鄭州市科技攻關項目（項目編號：112PPTGY249-7）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）27-0111-02

著名的Newell倒三角理論指出，電力電子技術是由電力技術、電子技術與控制理論三者交叉綜合而成。隨著三項技術快速發展，近年來，電力電子技術在器件制造、控制方法和系統設計等方面發展迅速。目前，電力電子技術廣泛應用于智能電網、開關電源、電機驅動、綠色照明等重要行業，并且其應用領域仍在不斷擴展。[1]尤其是新能源發電與分布式發電、高壓直流輸電和柔性交流輸電、用戶電力技術和電能質量技術、儲能技術等大功率電力電子技術已經融入到電力系統各個環節。因此，電力電子技術已經成為支撐智能電網的關鍵技術之一。

電力電子技術是鄭州輕工業學院（以下簡稱“我校”）電氣工程及其自動化專業基礎核心課程，該專業每年有150名學生學習此課程。目前總學時為58學時，其中理論教學50學時，實驗8學時。在以往本科教學過程中，并未設置計算機仿真的教學安排。僅有的實驗學時安排4次實驗，分別是單相半控整流橋實驗、三相全控整流橋實驗，交流調壓電路實驗和直流斬波電路實驗。實驗內容陳舊落后，無法滿足電力電子技術快速發展的需要。

電力電子技術課程教學應與該技術的發展相適應，然而，目前在實際教學過程中存在以下問題：首先，學生對該技術興趣濃厚，但目前教師授課內容主要以波形理論分析為主，內容枯燥，不易入門。其次，教學內容零散，缺少系統設計訓練。系統設計是多種知識模塊的組合，但教學中缺乏知識模塊之間相互貫通的內容。因此，在設計實際系統時無從下手，缺少應用系統設計的知識與技能。再次，教學實驗裝置中所使用的控制方案主要是利用運放組成的比例積分控制，難以將微控制器技術、數字信號處理技術與電力電子技術相結合，無法實現復雜控制算法。學生普遍反映電力電子課程理論分析較多，課程中缺少真實案例，不易理解，希望增加實驗數量。由于受到實驗條件限制，增加硬件實驗需要更新添置實驗設備，周期較長。

因此，在電力電子課程中增加了應用系統設計部分，通過使用PSIM軟件對應用系統進行仿真研究，填補基礎理論教學與實際應用之間的斷帶，幫助學生加深對基礎理論和應用系統設計知識的理解，掌握利用仿真技術進行輔助分析與設計的技能。

一、PSIM軟件

計算機仿真技術通過搭建模擬實際器件的仿真模型，為系統分析提供有效方法，極大簡化了電力電子與電氣傳動系統分析與設計的過程。仿真中需要使用數學模型代替實際器件，通過數值方法求解電力電子系統中狀態變量的運動規律。由于工程人員無法完成復雜的數學建模、數值求解和編程工作，PSIM、SABER、MATLAB等仿真軟件的出現極大提高了科研、開發效率。

PSIM是專業的電力電子與電機控制仿真軟件，與其他通用性仿真軟件相比，占用資源少，仿真速度快。該軟件主要應用于基本電力電子電路設計、電氣傳動系統設計、電機設計、新能源發電系統設計等領域，基本覆蓋了電力電子與電氣傳動領域的主要內容。PSIM軟件在電力電子應用系統設計課程教學中有以下特點：[2-4]

特點一：PSIM軟件的基本操作簡單，學生能夠較快掌握并進行簡單的電路設計，易于入門。與其他軟件的復雜操作配置相比，通過兩個學時的簡短功能介紹后，學生可以自主使用PSIM軟件仿真驗證電力電子課程中的基本電路和理論。教學實踐表明，學生經過簡單操作能夠產生教材中長篇介紹的復雜波形，減小了入門難度，容易引起興趣和求知欲。

特點二：包含電力電子技術課程中涉及的全部元件，能夠實現模擬控制和數字控制，便于將控制理論的基本方法應用于電力電子系統設計。通過設計高性能控制算法，培養學生解決復雜控制問題的能力。

特點三：對于復雜的電力電子應用系統，PSIM可以通過編寫動態鏈接庫（DLL）的方法實現控制算法，同時能夠與其他仿真軟件配合使用，增強了仿真系統的擴展性，為希望深入學習的學生提供了有力的工具支持。

特點四：針對可再生能源領域，PSIM具有光伏電池模塊和風機模塊，通過配置參數得到設計所需的仿真模型，提高了仿真效率。

PSIM軟件具有強大的功能和擴展性，在日本新能源產業技術開發機構（NEDO）、清華大學、華中科技大學等國內外電力電子教學科研機構得到了廣泛應用。因此，我校電力電子課程體系改革中，加入了該軟件教學部分，以培養學生電力電子系統分析與設計的綜合能力。以有源電力濾波器為例介紹使用PSIM軟件進行系統設計與仿真的過程。

二、并聯有源電力濾波器（Active Power Filter， APF）仿真

變頻器、開關電源等電力電子裝置廣泛應用于現代工業。由于許多電力電子裝置具有非線性、沖擊性和不平衡性，這些裝置從電網中吸收能量維持正常工作的同時，將一部分能量以諧波電流的形式注入到電網。電力電子裝置的廣泛使用導致電網中諧波污染問題日益嚴重，造成電網電壓波動和電流波形畸變，成為影響供電質量的突出問題。[5]

有源電力濾波器是解決電力系統非線性負載產生諧波污染問題的有效裝置，通過檢測諧波源產生的諧波電流，利用逆變裝置產生等幅值、反相位諧波電流抵消負載諧波電流，從而提高功率因數、降低網損、改善電能質量。[6]

1.APF的原理與電路結構

圖1（a）為并聯型有源電力濾波器系統結構圖。其中，es表示交流電網電壓，負載為諧波源，產生諧波電流并消耗無功。并聯型有源電力濾波器由兩部分組成，即諧波電流檢測電路和補償電流發生電路。諧波電流檢測電路檢測出補償對象電流中的諧波分量，以此作為補償電流指令參考值。補償電流發生電路根據指令參考值，產生實際補償電流。功率變換電路采用電壓型逆變器，PSIM仿真模型如圖1（b）。

2.基于瞬時無功功率理論的ip-iq諧波電流檢測算法

ip-iq諧波檢測算法是瞬時無功功率理論的改進，該算法對電網電壓初始相位沒有嚴格要求，檢測結果不受電壓波形畸變的影響。考慮直流側電壓波動下的諧波電流檢測算法如圖2。

其中，A相電壓ea通過鎖相環（PLL）模塊后產生同相位的正弦和余弦信號，檢測得到三相負載電流ia、ib、ic經過C32變換后得到坐標系下電流分量iα、iβ，C32用（1）式表示：

（1）

然后經過C變換后得到ip、iq，用（2）式表示：

（2）

ip、iq經過低通濾波后得到直流分量、，經過CT變換、C23變換后得到負載電流的基波分量iaf、ibf、icf，其中。負載電流與其基波分量相減得到有源電力濾波器諧波電流檢測值iah、ibh、ich。

穩態運行時，APF直流側電容的平均電壓需要保持恒定。由于電路損耗會產生直流側電壓下降，需要從系統注入有功功率補償損失功率，維持直流側電壓恒定。損耗電流幅值由直流側電容電壓實際值與參考值的偏差量經過PI調節器后得到，損耗電流相位與系統電壓相位相同。利用PSIM軟件能夠實現上述諧波檢測補償算法。

3.仿真結果

仿真系統參數如下：電網線電壓380V，頻率50Hz，非線性負載為三相整流橋接阻容性負載，并聯電阻5Ω，并聯電容470μF。APF直流側電容2000μF，初始電壓600V。有源濾波器與電網連接電感為2mH。

APF在0.2s時投入工作，圖3（a）中，ISA為A相電網電流波形，I_LA為A相負載電流波形。仿真結果表明，APF投入工作后，電網電流諧波成份得到有效治理，諧波畸變小于3%。PSIM軟件中包含功率因數表與視在功率表模塊，圖3（b）為系統功率因數及視在功率波形。仿真結果表明，APF能夠補償負載諧波和無功電流，提高系統功率因數使之接近1，同時系統輸出視在功率下降到4.45KW。由于負載消耗的視在功率下降，線路電流減小，降低了線路損耗。利用PSIM軟件驗證了APF及其控制算法的有效性，為實際裝置的設計與調試提供了理論依據。

三、結論

實際教學過程中，電力電子技術的理論計算和波形分析較為枯燥，教師單一課堂講授，學生被動學習的效果并不理想。PSIM軟件使學生能夠借助仿真工具對電力電子功率變換電路及控制方法進行驗證，引起了對該課程的濃厚興趣。利用該軟件能夠完成本文中有源電力濾波器這類復雜電力電子系統的分析與設計，培養了學生實踐創新、主動學習的能力，幫助學生掌握利用仿真工具輔助設計的技能，取得良好的教學效果。PSIM軟件操作簡單、內容豐富，對優化課程教學內容、調整教學思路方法、培養工程實踐能力發揮了重要作用。

參考文獻：

[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]關靜.基于PSIM的電工基礎課程教學方法的探索[J].中國現代教育裝備，2010，（19）.

[3]羅如山，陳政石，劉美.基于PSIM的“電力電子技術”仿真教學研究[J].中國電力教育，2012，（27）.

[4]洪武.PSIM在電力電子技術教學中的應用[J].實驗科學與技術，

2009，（2）.

[5]王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M].北京：機械工業出版社，2003.

[6]李春文，姜素霞.電網諧波電流檢測方法分析[J].鄭州輕工業學院學報，2007，（3）.