基于PSIM的PWM整流器仿真教学研究

周华伟，刘国海，郑 宏

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212013）

基于PSIM的PWM整流器仿真教学研究

周华伟，刘国海，郑 宏

(江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江 212013）

“电力电子技术”是高等院校电气工程与自动化类专业的一门重要基础课。本文在阐述单相PWM整流器控制策略基础上，以并联型PWM整流器为例，建立等效电路模型，且使用PSIM软件进行仿真分析。通过有/无环流抑制策略的仿真分析对比演示，可以丰富教学内容，加深学生对PWM整流器内容的理解和掌握，提高教学质量。

PWM整流器;环流抑制;PSIM;仿真分析

整流器广泛应用于不间断电源、电机驱动系统和分布式可再生能源系统等场合。常规整流器采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，但它向电网注入了大量的谐波和无功功率，对电网造成了严重的污染［1］。

PWM整流器由可关断电力电子器件构成，采用PWM调制方式，具有网侧电流谐波小、输出电压稳定且响应速度快、能量双向流动和输入功率因数可控等优点，实现了电能的“绿色变换”［2］。

PSIM是美国Powersim公司开发的面向电力电子的仿真工具。该仿真工具的仿真时间步长是固定的，所以不易出现开关动作过程中的不收敛问题，可进行快速仿真。其易于使用的用户界面和波形分析功能，使其成为电力电子电路分析、控制系统设计和电机驱动等研究方面强有力的仿真工具［3］。

PSIM由通过鼠标输入主电路和控制电路的SIMCAD、实施计算的PSIM仿真器和显示计算结果的SIMVIEW构成。PSIM可分为功率电路、电压和电流传感器、控制电路以及开关控制器4个模块。因此可采用和实际电路相同的结构。

本文以“电力电子技术”课程中PWM整流器教学内容为研究对象，分析了单相电压型PWM整流器的功率和电压前馈控制策略，在此基础上探讨使用PSIM软件对输入和输出并联型PWM整流器进行建模仿真分析。

1 单相PWM整流器

单相全桥型PWM整流器显著的拓扑特征是直流侧采用支撑电容进行直流储能，使其直流侧呈低阻抗电压源特性;交流侧串一滤波电感，使其具有Boost AC/DC变换性能和交流侧受控电流源特性［4］，其拓扑结构如图1所示。其中，us、is为网侧电源电压、电流，L、R为滤波器电感和电阻，uab为整流器输入电压，ud为整流器输出电压。

图1 单相全桥型PWM整流器拓扑

PWM整流器的基本电路方程为

式中，S1、S3分别为功率管T1、T3的开关状态，开通用“1”表示，关断用“0”表示，s为拉氏变换算子。

为获得稳定的整流电压ud，根据式(1)，采用图2所示的电压和电流闭环控制策略［5］。其中，i*s和u*d分别为整流器输入电流指令和输出电压指令，Δud为电压误差，G1(s)为电压控制器，G2(s)为电流控制器，ω为网侧电流角频率。

图2 电压和电流闭环控制策略

由式(1)和图2得

因此，只有当G2(s)足够大时才能将is的跟踪误差控制在较小的范围内;只有当G1(s)足够大时才能将ud的跟踪误差控制在较小的范围内。但较大的G1(s)和G2(s)一方面带来设计的难度，另一方面会引入噪声。为避免这些问题，在图2的基础上增加整流器输出功率Po和估算输入电压进行前馈控制，如图3所示。其中，和分别是滤波电感器的估算电感和电阻。Po是通过整流器输出电压和电流获得的，输入电压为

图3 功率和电压前馈控制

可见，若滤波电感器的估算参数与真实参数一致，即使G2(s)为零，输入电流跟踪误差和输出电压跟踪误差都为零。这减小了控制器引入的噪声;同时由于引入前馈控制，系统响应速度加快。

直流电压环通常采用PI调节器进行控制。目前常用的电流控制方法有PI和滞环控制。PI算法具有结构简单、可靠性高等特点，但常规PI控制只能消除直流参考信号的稳态误差，对给定的交流分量难以实现无差跟踪。滞环控制具有动态响应速度快的特点，但控制精度受滞环宽度影响［6］。谐振控制器是静止坐标系下的积分器，对特定频率的正弦信号具有无穷大增益，可实现零稳态误差。而比例控制器保证了快速的动态特性，因此本文中G2(s)采用比例谐振控制器，其传递函数为［7］

式中:Kp、Kr分别为比例增益与谐振增益。

2 输入和输出并联型单相PWM整流

由于电力电子器件容量的限制，当单台PWM整流器容量不能满足要求时需采用并联结构以扩展整流器输出能力，另模块并联技术可实现系统冗余配置，提高系统的可靠性。

若将图1所示的整流器直接并联，会导致没接滤波电感器的桥臂直接并联，此时若存在参与SPWM调制的载波相位不同和驱动信号延时等情况，将引起零序环流。零序环流会导致整流器损耗增加甚至损坏开关器件。针对这一问题，国内外学者提出了多种解决方法。在PWM整流器交流侧采用隔离变压器进行电气隔离可完全抑制零序环流。

图4为三台单相PWM整流器输入侧通过1:1隔离变压器并联，输出侧直接并联，其等效电路如图5所示。其中，i1、i2和i3为三台整流器的隔离变压器输入电流，L1、L2、L3、R1、R2、R3为三台滤波电感器的电感和电阻，ua1b1、ua2b2和ua3b3为三台整流器输入电压。该并联整流器的电压方程为

图4 输入和输出并型PWM整流器拓扑

图5 等效电路

根据电路原理，三台单相PWM整流器输入侧通过变压器并联，输出侧则直接并联，可等效为三台输出完全独立的整流器。由式(8)可知由于滤波器参数的差异和整流器输入电压的差异，必然导致变压器输入侧电流不一样，于是整流器两两之间会存在环流。由图5得隔离变压器输入侧电流为

式中，icir12、icir23和icir31为三个整流器间的环流。

由式(9)可求得整流器之间的环流为

因此需要在图3控制策略基础上增加环流抑制策略，如图6所示。

图6 环流抑制策略

3 PWM整流器的PSIM仿真

为验证图6环流抑制策略的可行性，使用PSIM软件对图4所示PWM整流器进行了仿真分析。假设三台隔离变压器是理想变压器，输入输出变比为1:1;三台滤波器参数为:电阻R1=R2=R3=10mΩ，电感L1=L2=L3=2.3mH;支撑电容10mF，负载电阻RL=2.5Ω;网侧电压峰值1kV，频率50Hz;输出1.5kV;采用单极性SPWM调制方式，三个整流器的三角载波频率均为550Hz，相位彼此相差60度;图6中的G1(s)和G2(s)均为PI控制器，G2(s)为比例谐振控制器，40ms时启动环流控制;滤波电感器的估算参数为===2R1===2L1。

图7(a)是整流器输出电压波形，输出电压纹波在2%以内。图7(b)是电源电压和电流波形，它们的相位相同，可知环流抑制策略没有影响网侧电压和电流之间的相位，整流器功率因数为1。图7(c)是1号整流器输入电流以及1号和2号整流器间的环流波形，图中表明，在40ms处启动环流控制后输入电流波形平滑度变好。同时，环流幅值只有原来的0.2 倍。

图8是环流启动前后1号整流器输入电流进行FFT分析得到的电流频谱。可见环流抑制策略不但能有效抑制整流器间的环流而且能削减输入电流谐波，改善电流正弦度。

图7环流控制启动前后整流器相关波形

图8 1#整流器输入电流频谱

为清楚地了解某个参数对系统的影响，学生可以在PSIM中通过改变滤波电感参数、三角载波频率、三角载波相位差、支撑电容、负载和功率因数角，更换G1(s)、G2(s)和G3(s)控制器和SPWM调试方式，或者使用PLL估算电网电流相角等，观察输出电压和输入电流的变化以及环流的大小。

3 结语

“电力电子技术”具有很强的实用性。在教学过程中应有效利用PSIM软件对课程的重点和难点内容进行建模仿真，使教学内容直观生动。具体做法是:学生在学习电力电子理论知识过程中，教师应积极引导学生结合电路原理、控制理论和数字电子，对电力电子电路建模，通过PSIM软件对电力电子电路进行仿真分析，掌握其工作原理，加深了解器件参数、控制策略和控制参数对系统性能的影响。

本文以PWM整流器为例使用PSIM软件进行了建模仿真分析。通过“电力电子技术”课程形象化的教学，提高了学生学习的积极性和教学质量，为学生以后实际系统设计打下坚实的基础。

PSIM软件不但可以应用于课堂教学、实验教学与课程设计;而且是学生自习和完成课外作业的重要辅助工具;同时弥补了实验室的局限性，克服了硬件条件的限制，利于学生进行创新探索。因此，应用PSIM进行电力电子的建模仿真，对于教学、研究、电力电子类课程设计都是十分有益的。

［1］王兆安，刘进军.电力电子技术(第5版)［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［2］林渭勋.现代电力电子电路［M］.杭州:浙江大学出版社，2002.

［3］(日)野村弘，(日)藤原宪一郎，(日)吉田正伸 著，胡金库，贾要勤，王兆安 译.使用PSIM学习电力电子技术基础［M］.西安:西安交通大学出版社，2009.

［4］杜荣茂，陈小强，景利等.PWM整流器两种空间矢量控制策略的比较［J］.天津:电气传动自动化，2012，34(3):6－13.

［5］高吉磊等.单相PWM整流器谐波电流抑制算法研究［J］.北京:中国电机工程学报，2010，30(21):32-39.

［6］魏克新，纪世忠，于洋.三相PWM整流器滞环控制改进方法的研究［J］.西安:电力电子技术，2011，45(9):114-116.

［7］ 王剑，郑琼林，高吉磊.基于根轨迹法的单相PWM整流器比例-谐振电流调节器设计［J］.北京:电工技术学报，2012，27(9):251-256.

The Teaching Study of PWM Rectifier Simulation Based on PSIM

ZHOU Hua-wei，LIU Guo-hai，ZHENG Hong

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

Power Electronics Technology is an important fundamental course of electrical engineering and automation subject.A control strategy for a single-phase PWM rectifier is described，and then the PWM rectifier in parallel is used as an example tomodel an equivalent circuit，conduct simulation and analysis using PSIM.The circulation suppression strategy and non-circulation suppression strategy are used to simulate comparative analysis，which enrich the teaching content，deepen students'understanding of PWM rectifier，and improve the teaching quality.

PWM rectifier;circulation restraining;PSIM;simulation analysis

TP391.1

A

1008-0686(2013)06-0109-04

2013-06-28;

2013-07-18 基金项目:江苏大学教学改革与研究项目(2011JGYB092、2011JGZD009)

周华伟(1980-)，男，博士，讲师，主要从事电力电子与电力传动方面的教学与研究工作，E-mail:zhouhuawei@mail.ujs.edu.cn