电力电子技术课程的应用电路仿真教学实践

王 文，汤 赐

(长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410000)

作为电力电子与电力传动专业核心课程，电力电子技术在高校电气工程专业课程体系中占有重要地位[1－3]。由于该课程具有较强的工程应用背景，与工程实际结合紧密的应用电路讲授显得尤为重要。但是，由于教材选择、大纲编排、实验设计等方面存在的诸多问题，应用电路教学未得到足够的重视。教材选择方面，机械工业出版社出版的《电力电子技术》一书应用较为广泛，该教材花费大量篇幅介绍晶闸管等半控器件，对应用更加广泛的全控器件的介绍，特别是全控器件的应用电路介绍存在明显不足。大纲编排方面，由于课时数的限制，课程偏重于介绍基础电路原理，对于应用电路缺乏足够的介绍，无法使学生对电力电子系统形成完整的认识[4－5]。实验设计方面，受限于财力不足、专职实验人员缺乏、主观上忽视实验等原因，该课程实验缺乏对实际应用电路的足够训练，与当前工程应用脱节严重，无法提起学生对课程的兴趣。同时，由于培养方案的限制，该课程讲授的重点集中于电路原理方面，而对电力系统和控制理论方面的介绍严重不足，与电力电子先驱William E.Newell博士所提出的 “电力电子技术是电子、电力和控制三大学科的交叉”[6－8]不相称，造成学生对该课程的理解过于片面。

在课程资源有限的前提下，电力电子仿真软件提供了让学生加深对应用电力电子电路理解的工具，能够让学生对该课程形成更加完整、全面和深入的认识。本文选择电力电子常用仿真工具PSIM软件[9－12]，以电力电子系统的典型应用电路——有源电力滤波器为例，深入分析应用电路在电力电子技术课程教学中的教学内容选择及教学设计方法。

1 应用电路仿真教学设计

以下从教学目标、教学内容选择、知识点归纳3个方面说明有源电力滤波器应用电路仿真教学的设计原则。

1)该教学内容的总体目标。

提高学生综合运用知识的能力，增进学生对工程应用电路的理解，增强学生对电力电子技术课程的兴趣。

图1 仿真系统电路图

2)应用电路的选择依据。

首先，电路控制方法选择应避免过于深奥的算法，如瞬时无功理论(需要电机学中的坐标变换等知识)、智能控制方法等；其次，应选择工程上常见、实用的电路，避免已经过时的电路，如晶闸管相控电路等；最后，应简化电路模型，突出电力电子电路功能，使学生的注意力集中于电力电子电路本身。

3)知识点归纳。

①电力系统方面包括电能质量定义、谐波定义、谐波危害、常见非线性负载、有源电力滤波器在电力系统中的作用、公用电网谐波标准。

②电路结构方面包括电网、负载的等效电路，有源滤波器的构成及其组成部分的作用。

③控制方法方面包括控制系统基本原理、负载谐波电流检测方法、PWM原理。

2 应用电路仿真课程教学安排

2.1 原理讲解

本文在电力电子仿真软件PSIM中搭建系统并生成仿真结果。在课堂教学中，首先介绍仿真系统组成结构，如图1所示。该仿真系统由电源、系统阻抗、非线性负载与有源电力滤波器组成。系统线路与负载、有源电力滤波器并联连接于同一母线；然后说明有源电力滤波器的结构，即由IGBT和反并联二极管作为基本单元的三相全桥逆变器、直流母线电容及输出电抗器构成；最后说明有源电力滤波器的原理，即检测负载谐波与无功电流，通过控制开关器件的通断，使输出电抗器上的电流跟踪负载谐波与无功电流的相反数，从而达到降低电源支路谐波电流、提高线路功率因数的目的，课堂教学对其功能进行简化，仅介绍谐波电流补偿部分。

图2 仿真系统电流及电压波形

图3 仿真系统电流频谱图

2.2 仿真参数及波形分析

有源电力滤波器仿真在表1所示参数下进行。

表1 仿真系统参数

仿真系统电流电压波形如图2所示。从图中可以看出，负载电流呈现出典型的非线性特征，结合课程知识可知，其中含有丰富的6k±1次谐波。与负载电流相对应，有源电力滤波器输出电流也具有严重的非线性，理论分析可知，该电流与负载电流谐波具有相反的方向，从而可以抵消负载电流对电网电流的影响。电网电流波形呈现出平滑的50 Hz正弦波，说明了有源电力滤波器对负载谐波电流的补偿效果。图2同时说明有源电力滤波器稳定工作的一个条件是直流侧电容电压，仿真中该电压值稳定在830 V左右。

通过电流频谱可以更准确地说明有源电力滤波器的谐波补偿效果，从图3的电流频谱可以看出，负载电流谐波成分与理论分析一致，其幅值符合与谐波次数成反比的规律。有源电力滤波器输出电流各次谐波在幅值上与负载电流谐波相近，说明有源电力滤波器能够有效跟踪负载谐波电流值。电网电流频谱中几乎没有谐波成分，再次说明有源电力滤波器对负载电流谐波的补偿效果。

2.3 教学难点解析

1)PWM原理:即面积相等的窄脉冲作用在具有惯性的环节上的效果相同。对应于三角载波调制，定义中的两个窄脉冲为调制波在单个三角载波周期内的不规则波形和经过三角载波比较后生成的规则脉冲波，经等效后的规则脉冲波通过一定的驱动电路可以控制开关器件的通断，其输出电压波形与驱动脉冲形状一致，仅对幅值进行放大，从而起到对调制波放大的效果，该放大后的电压作用于输出电抗器，可用于控制电抗器上的电流。

2)控制系统介绍:有源电力滤波器控制系统包括谐波电流检测、电抗器输出电流反馈、电流控制器、控制对象等部分，其中谐波电流检测和电流控制器设计是影响控制系统性能的关键环节。为了简化分析，电流控制器可采用比例控制器。控制对象由逆变器和输出电抗器共同构成，等效控制模型为具有延时的惯性环节。

3)谐波电流检测原理:为了简化分析，课程教学可采用带通滤波器，将负载电流工频信号滤出后，与该电流作差，从而得到负载电流谐波分量，将该电流作为有源电力滤波器输出电流参考信号。本文仿真模型所采用的带通滤波器通带宽度为20 Hz，中心频率为50 Hz。

4)APF评价指标:主要包括电网电流谐波总畸变率(total harmonic distortion，THD)、电网电压THD、电网功率因数、响应速度等。提高APF性能指标的途径，包括增大采样频率、增大开关频率、提高直流侧电容值、采用LC或LCL型输出滤波器。其中，增大采样频率可以提高有源电力滤波器控制系统带宽，扩大谐波补偿范围，提高控制系统响应速度；增大开关频率可以降低有源电力滤波器输出电流开关频率次谐波含量，减小电网电流THD；提高直流侧电容值可以降低直流侧电压纹波，提高谐波补偿精度；采用LC或LCL型输出滤波器可以提高有源电力滤波器控制系统抗干扰能力，提高系统稳定裕度。

2.4 教学实践验证

从事电力电子技术教学工作多年，通过与学生的深入交流，发现在教学内容中适当增加应用电路仿真的介绍非常有利于学生对课程主要知识点的掌握，并能提高综合应用这些知识点的能力。以有源电力滤波器拓扑为例，通过该应用电路仿真模型的讲解，学生可以加深对不可控整流电路、三相逆变电路、PWM调制技术等课程核心知识点的认知，进而理解典型非线性负载的谐波和功率因数、逆变器电流跟踪控制技术，并对该应用电路主电路与控制器参数设计具有初步的认识。在此基础上，结合电力电子技术实验课程的学习，学生基本可以掌握三相逆变系统的原理与设计方法，为后续的深入研究打下坚实的基础。

3 结束语

应用电路仿真教学可以提高学生对电力电子技术应用的感性认识，巩固并加深学生对电力系统、电子技术、控制理论的理解和综合运用能力。本文以有源电力滤波器进行谐波电流补偿为例，说明了应用电路仿真在电力电子技术教学中的设计与实施过程，有助于提高电力电子技术课程教学的实用化和工程化水平。

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