PSIM仿真软件在《电力电子技术》课程设计中的实践应用

张超 徐磊

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2009-5640-2737

摘  要：将PSIM仿真软件引入电力电子技术课程设计，以有源功率校正电路为例阐述电路仿真模型构建方法和关键参数设计原则，并对比参数变化对电路性能的影响。结果表明，将PSIM软件引入电力电子课程设计有助于提高学生分析、解决问题的能力，激发学习本课程的兴趣，提高学生的创新能力和解决问题能力。

关键词：PSIM  仿真  电力电子技术  课程设计

中图分类号：G642                             文献标识码：A                     文章编号：1674-098X（2021）01（c）-0148-03

Application of PSIM Software in the Course Design of Power Electronics

ZHANG Chao  XU Lei

（School of Electrical and Information Engineering， Jiangsu University， Zhenjiang， Jiangsu Province， 212013  China）

Abstract： PSIM simulation software is applied in the course design of power electronics. In this course， an active power factor correction （PFC） circuit is taken as an example to explain the circuit simulation model construction method and key parameter design principles. In addition， the key performances of PFC circuit are compared and analyzed with different component parameters. The simulation results show that PSIM can improve students' ability to analyze and solve problems， stimulate their interest in learning this course， and improve students' innovative ability and problem-solving ability.

Key Words： PSIM; Simulation; Power electronics; Course design

電力电子技术课程涉及电子学、电路学及控制理论等多门学科，是电气工程专业重要的专业基础课之一。作为理论教学的有益补充，电力电子技术课程设计引导学生根据电路具体要求展开关键参数的设计，并通过修改电路参数深入掌握电路特性，不仅有助于加深学生对基本概念、基本理论和基本方法的理解，而且可培养学生工程思维和动力能力。将PSIM仿真软件引入至电力电子课程设计，一方面能较好解决实验设备数量限制、无法深入学习底层知识等问题，另一方面能够提高学生对电力电子技术的感性认识，满足教学高层次要求。

1  电力电子技术课程特点及PSIM软件简介

随着功率半导体器件和微处理技术不断进步，电力电子技术在交通运输、工业生产、国防军事及家庭生活等领域得到广泛应用。然而，该课程计算公式复杂、电路结构繁多、工作状态多样、电路工作原理理解困难。同时，目前高校设备资源较为紧张，已有实验计划和设备无法满足学生深入学习和掌握电力电子技术的要求。

PSIM作为电力电子技术专业仿真软件，除包含电力电子技术中常用的功率器件模型、各种常见电源以及控制器，并且具有仿真速度快、算法易于收敛、用户界面友好、易于学习等优点，将其引入至本科电力电子的课程设计可以节省大量的资金和时间，帮助学生快速掌握学习对象的基本原理，并提高对电力电子技术应用的感性认识。

2  PFC电路工作原理及仿真模型搭建

电力电子技术的广泛使用虽然带来一系列优点，但其非线性特性同时也导致电网谐波含量增加。有源功率因数校正PFC（Power factor correction）电路可以显著提高电力电子装置的功率因数、降低电网电流谐波，是一种电网电能质量主动控制装置。PFC电路涉及整流、直流斩波电路、电网功率因数控制及PWM控制等多个电力电子重要知识点。此外，为实现电网电流质量控制及输出母线电压控制目标，该课程设计还需学习、掌握PWM控制及PI控制参数设计等环节，因此十分适宜作为电力电子的课程设计内容。

如前所述，本课程设计主要目标有两个：一是掌握功率因数校正及母线电压稳定控制的原理;二是了解关键参数对整个电路性能的影响，增加对电力电子电路的感性认知。课程设计所用PFC电路由二极管不控整流器、Boost电路以及检测、控制电路构成，如图1所示。

检测电路由电压传感器、电流传感器以及电网相位获取三部分构成。其中，电压传感器、电流传感器分别用于获取直流母线电压、电网相位和Boost电路电感电流。控制器内部有两个PI控制器，其中PI-I根据输出电压给定值和反馈值生成电网电流有效值Ig，该电流与电网相位相乘后得到电网电流瞬时参考值，进一步该电流与电网反馈电流误差将PI-II后得到调制信号，经比较器最终实现IGBT控制。

3  实验结果与分析

在运行仿真电路前首先对输入电感L、稳压电容C两个电路关键器件进行设计，然后在元件属性窗口对器件值进行设置。电路参数及控制器构建完毕后，设置仿真运行参数并进行仿真。为深刻理解电路参数对电路性能的影响，在仿真过程中设置三组不同参数，对应电路关键仿真波形如图2、图3所示。图中ig是电网电流，ug是电网电压，uo是电路输出电压。图2是电容680uF、不同L值条件下仿真波形，它表明当电感过小时电网电流工作在断续状态，电网电流THD显著增加，电网电能质量下降。同时注意到，电容C为680uF时，电路输出纹波电压始终低于5%，这表明电感L值仅和电网质量有关系。

图3是输入电感L不变，电容C不同值条件下仿真波形。它表明随着电容的增加，输出电压纹波显著下降，且当电容超过1C后，输出电压纹波抑制效果虽然得到改善，但是成本和体积大幅度上升。分析表明，PFC电路关键参数设计合理与否直接关系到电路性能。同时还应引导学生理解电路性能和系统成本之间的关系，逐步建立设计电路时的工程思维能力。

4  结语

通过PFC电路仿真，学生加深了电力电子电路作用的理解，对电网电能质量和PFC电路工作原理均有较好的掌握。同时，不同參数下的仿真波形，帮助学生进一步加深了器件变化对电路性能的影响。

将PSIM仿真引入电力电子技术课程教学，增加了学生对电力电子技术应用的感性认知;通过电路参数变化对电路性能的影响的对比和观察，有效弥补实验设备的不足，加深对电路工作原理的理解。此外，PSIM仿真软件能提高学生搭建和分析电力电子电路的能力，实现理论与实践相结合的教学目标。多年教学实践及效果表明，作为电气工程专业的重要课程之一，仿真软件的使用有助于学生在学习过程中注重分析和思考，养成用仿真实验验证理论的习惯，提升创新和研究能力。

参考文献

[1] 陈国平，秦彦军，张艳，等.以应用型本科人才培养为目标的电力电子技术教学改革与实践[J].高教学刊，2020（26）：114-117.

[2] 何远彬，吕强，沈磊，等.基于Matlab和Psim软件的电力电子课程项目驱动混合教学设计[J].产业与科技论坛，2020，19（16）：153-154.

[3] 颜鲁薪，李明澈，高蕊.基于专创融合的课程设计与实施——以《太阳能光伏发电技术应用与创新创业》课程为例[J].文化创新比较研究，2020，4（20）：73-75.

[4] 李自清.互联网+时代下微课在高中信息技术教学中的应用研究[J].科技资讯，2020，18（24）：36-38.

[5] 刘慧，郝雯娟，王宇.电力电子技术课程设计教学实例——BUCK电路硬件平台实现[J].电子世界，2020（14）：30-32.

[6] 代云中.PSIM数字控制平台在电力电子类课程实验教学中的应用[J].高教学刊，2020（7）：82-84.

[7] NAGABALAN U ， SWAROOPAN N M J . An Improved Single Stage Phase Shifted Control Based AC–DC PFC Converter for Wireless Applications[J]. Wireless Personal Communications， 2020：1-12.

[8] 汪先兵，王祥傲.基于仿真技术的电力电子技术课程教学研究[J].集宁师范学院学报，2019，41（6）：100-103.

[9] 肖华根，朱红萍，黄媛.PSIM在“电力电子技术”课堂教学中的应用[J].江苏科技信息，2017（19）：63-64.