基于PLECS的三相两电平变流器仿真实验设计

严庆增, 孙鹏霄, 赵仁德

(中国石油大学(华东) 信息与控制工程学院, 山东 青岛 266580)

三相两电平变流器是新能源发电、不间断供电电源、电力拖动等系统的能量转换核心和关键设备,关乎整个系统的使用寿命[1]。在高校开设的“电力电子技术”“太阳能发电技术”“风力发电技术”等电气工程专业课程中[2-4],均涉及三相两电平变流器的拓扑结构、调制和控制。在传统教学中,采用Matlab/Simulink进行控制和调制方式仿真时,往往忽略变流器本身的损耗和发热问题；而在电力电子系统设计中,对于变流器电力电子器件进行损耗和散热评估,对于保证整个系统的高效、长期、可靠运行十分重要[5-6]。

变流器的损耗和热分析理论概念抽象,在教学中直接进行推导计算,学生往往难以理解。本文利用系统级电力电子仿真软件PLECS特有的损耗和热分析功能,设计了三相两电平变流器仿真实验,采用正弦脉宽调制方法(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)[7]控制电力电子器件通断,将直流侧电源功率变换至交流侧阻感负载。在仿真模型中输入电力电子器件的通态和开关特性,采用周期平均模块获得通态损耗,通过脉冲平均模块获得开关损耗,连接散热器模块进行温升分析。为使仿真实验教学与理论教学相呼应,进一步建立了变流器损耗数学模型,在不同调制度、开关频率和电流幅值条件下,对比仿真实验和计算结果的误差。

1 PLECS仿真软件的特点

PLECS是瑞士Plexim GmbH公司开发的系统级电力电子仿真软件,尤其适用于电力电子和传动系统的电路与控制仿真。PLECS操作界面友好,波形分析直观、精确、快速,被誉为“全球最专业的电力电子系统模拟工具”[8]。PLECS具有独特的热分析功能,设计者可根据实际情况定义每个电力电子器件的通态和开关损耗特性,并使用热电阻和热电容模拟实际系统的热传导。通过变流器热模型仿真实验，可以优化散热器设计、降低整机成本。

PLECS分为嵌套和独立两种版本。嵌套版PLECS作为Matlab/Simulink元件库中的一个模块,能够与其他模块实现无缝兼容;独立版PLECS与Matlab/Simulink类似[9-10],含有控制元件库和电路元件库,可以通过优化解析方法,获得更快的仿真速度。为简化教学过程,本文将独立版PLECS应用于三相两电平变流器的仿真实验教学中。

2 仿真实验设计

三相两电平变流器的主电路如图1所示。其中,Vdc和Cdc分别为直流母线的电压和电容,Ra、Rb、Rc为三相负载电阻,La、Lb、Lc为三相负载电感,T1—T6为IGBT开关器件。为叙述方便,将T1—T6对应的反并联二极管用D1—D6表示。通过控制IGBT的开通和关断,可以实现交流电与直流电的变换。

图1 三相两电平变流器的主电路结构

IGBT损耗包括通态损耗和开关损耗,其中开关损耗又分为开通损耗和关断损耗。由于IGBT使用时一般需要与二极管反并联,构成逆导开关,故使用自带反并联二极管的IGBT模块。反并联二极管同样具有通态损耗,并且由于其电荷的存储效应,需要考虑反向恢复损耗[2]。

为研究三相两电平变流器的损耗并进行热分析,在PLECS中搭建如图2(a)所示的开环控制系统仿真模型。仿真模型包括调制波给定模块、直流电源模块、三相桥臂模块、三相阻感负载模块和SPWM模块。通过SPWM模块控制三相桥臂中的IGBT导通和关断,将直流电逆变至三相阻感负载。采用电压表、电流表和示波器观察电压和电流波形。

在图2(b)所示的三相桥臂模块中,包含6只IGBT和反并联二极管。为通过仿真获得其通态损耗和开关损耗,需要根据器件手册设定IGBT沟道通态特性、IGBT开通能量、IGBT关断能量、反并联二极管的通态特性、反并联二极管的反向恢复能量。

图2 三相两电平变流器PLECS仿真实验模型

本文选取SEMIKRON公司的IGBT功率模块SK60GB128(60 A/1200 V),根据数据手册中的通态和开关特性,设定PLECS仿真实验模型中的器件损耗模型属性。

采用以下参数进行仿真实验：

(1) 调制度M：0.9

(2) 开关频率f：10 kHz

(3) 直流电压Vdc：600 V

(4) 交流电流幅值Icm：60 A

(5) 负载电感L：3 mH

(6) 负载电阻R：4.5 Ω

(7) 功率因数角φ：11.8°

图3给出了IGBT沟道通态特性和开通能量设定界面图,设置时需要特别注意电压和电流的极性。

图3 IGBT的通态特性和开通能量设定界面

采用周期平均模块获得通态损耗,通过脉冲平均模块获得开关损耗。获得每只IGBT的通态和开关损耗及反并联二极管的通态和反向恢复损耗，如图4所示。为观察器件损耗导致的散热器温升,散热器模块通过热电阻和热电容组成的热链与外界环境恒温源连接。一方面,开关器件的损耗使散热器温度升高;另一方面,散热器通过热链将热量散发到外界环境中。通过模拟实际工程中散热器与开关器件和周围环境的热交换过程可知,当热交换达到平衡时,散热器将最终稳定在某一温度。在图5所示的散热器温升曲线图中,60 s之后散热器温度基本稳定在42.7 ℃。通过在PLECS中设置器件通态和开关能量特性,添加散热器,可以使学生更深层地认识电力电子器件损耗和发热的本质问题。

图4 IGBT和反并联二极管的损耗

图5 散热器温升曲线图

3 变流器损耗计算

将通过理论计算获得器件的各部分损耗与PLECS仿真实验结果进行了对比和相互验证。

3.1 IGBT及反并联二极管的平均通态损耗计算

由于IGBT及其反并联二极管均具有电导调制效应,导致其正向通态压降呈现非线性。两者的正向通态压降可以近似表示为

(1)

式中,vCE为器件正向通态压降,VCE0为器件通态起始压降,VCEN为器件在通态电流为ICN时的压降,r0为线性区的等效通态电阻,ic为器件通态电流[11-14]。

设负载电流为正弦波,则IGBT及其反并联二极管在一个开关周期T0内的平均通态损耗可表示为

(2)

式中,ICM为负载电流幅值,ω为电流ic的角频率。将式(1)代入式(2),得

(3)

式中,f(ωt)为调制函数,用以表示器件在一个开关周期的导通占空比,积分区间θ1和θ2取决于如图6所示的器件导通区间。

图6 与电压和电流方向相关的器件导通区间

3.2 IGBT的平均开关损耗及其反并联二极管的平均反向恢复损耗计算

在器件手册中可以查得IGBT的开关能量曲线及其反并联二极管的反向恢复能量曲线,这部分能量可近似拟合为以下一元二次函数：

(4)

式中,A0、B0、C0为一元二次函数的系数。

在一个工频基波周期内,IGBT的平均开关损耗及其反并联二极管的平均反向恢复损耗可表示为

(5)

式中,fs为开关频率。

4 仿真实验与计算结果对比分析

基于上述仿真实验与数学模型,在不同调制度、开关频率和电流幅值下获得仿真实验与计算结果如表1、表2和表3所示。对比变流器各个运行情况下的仿真实验与计算结果可知,两种方法获得的各部分损耗误差均小于4%,从而相互验证了彼此的正确性。

采用理论计算结果与仿真实验结果对比,能够达到理论教学与仿真实验教学相呼应的目的。一方面,使学生了解损耗仿真实验模型的本质;另一方面,也能够使学生加深对变流器的损耗和热分析理论的理解。

表1 损耗仿真实验与计算结果对比情况一

注：运行条件M=0.9,f=10 kHz,Icm=60 A,φ=11.8°,Vdc=600 V

表2 损耗仿真实验与计算结果对比情况二

注：运行条件M=0.7,f=10 kHz,Icm=46.6 A,φ=11.8°,Vdc=600 V

表3 损耗仿真实验与计算结果对比情况三

注：运行条件M=0.9,f=20 kHz,Icm=60 A,φ=11.8°,Vdc=600 V

5 结语

通过基于PLECS的三相两电平变流器损耗与温升仿真实验说明,将PLECS用于“电力电子技术”“太阳能发电技术”“风力发电技术”等电气工程专业课的仿真实验教学,可以达到如下教学效果：

(1) PLECS软件可以直观、形象地展示损耗和热分析,使学生更容易理解和接受;

(2) 弥补了现有教学中忽略变流器损耗和发热的不足,有利于提高学生认知和解决实际工程问题的能力;

(3) 仿真实验与理论计算相呼应,可以使学生加深对变流器损耗产生机理的理解,巩固和加强了理论教学的效果。