韓 楊

(電子科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院電力電子系，成都 611731)

《電力電子技術(shù)》課程研究型教學(xué)的案例設(shè)計(jì)與探討

韓 楊

(電子科技大學(xué) 機(jī)電學(xué)院電力電子系，成都 611731)

以《電力電子技術(shù)》課程可控整流和有源逆變電路的教學(xué)內(nèi)容為分析對(duì)象，創(chuàng)新教學(xué)方法，以高壓直流輸電（HVDC）為典型的教學(xué)案例，討論了該內(nèi)容的教學(xué)特點(diǎn)和難點(diǎn)，分析了課堂理論與工程實(shí)踐之間的密切聯(lián)系。文中從三相橋式整流、有源逆變電路、基于12脈波換流器的HVDC系統(tǒng)原理及控制方法進(jìn)行分析，采用EMTP軟件搭建了整流站、逆變站以及HVDC異步聯(lián)網(wǎng)的仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，克服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)依賴硬件裝置、互動(dòng)性差的缺點(diǎn)，為《電力電子技術(shù)》課程研究型教學(xué)提供了新的思路和方法。

研究型教學(xué)；教學(xué)改革；電力電子；高壓直流輸電

《電力電子技術(shù)》是電力技術(shù)、電子技術(shù)和控制技術(shù)相結(jié)合的新興交叉學(xué)科，是利用電力電子器件對(duì)電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)。該課程涵蓋知識(shí)面廣、難度大，是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)必修的學(xué)科基礎(chǔ)課，是電力電子與電力傳動(dòng)、新能源并網(wǎng)發(fā)電、柔性輸配電技術(shù)的理論基礎(chǔ)[1_3]。

在《電力電子技術(shù)》課程教學(xué)過程中，存在諸多問題：理論教學(xué)和實(shí)踐教學(xué)相脫離，理論教學(xué)太抽象，教師講解難度大，學(xué)生學(xué)習(xí)吃力;實(shí)踐教學(xué)模式陳舊，平臺(tái)資源稀缺、互動(dòng)性差;學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)基本原理理解不清楚，驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)多、缺乏創(chuàng)新性;實(shí)驗(yàn)設(shè)施更新較慢、費(fèi)用高昂，嚴(yán)重滯后于技術(shù)進(jìn)步的步伐。針對(duì)這些問題，積極推進(jìn)教學(xué)方法改革，吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)模式，倡導(dǎo)研究型教學(xué)方法是提高教學(xué)質(zhì)量的迫切要求[4_6]。

仿真軟件的應(yīng)用有利于教師引導(dǎo)學(xué)生用科學(xué)思維方法來(lái)分析問題和解決問題，提高學(xué)生學(xué)習(xí)能力、培養(yǎng)創(chuàng)新思維、彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)設(shè)施的不足，對(duì)課程學(xué)習(xí)起到事半功倍的效果[7_8]。本文提出采用EMTP軟件進(jìn)行《電力電子技術(shù)》課程的研究型教學(xué)，該軟件平臺(tái)能對(duì)任意電力電子電路進(jìn)行建模、控制算法驗(yàn)證，還能應(yīng)用于電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模和暫態(tài)分析，是電氣工程專業(yè)通用的軟件平臺(tái)[7_8]。此外，還可以隨意改變電路和控制參數(shù)、交互性好，容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，改善教學(xué)效果。

1 HVDC換流器的工作原理

HVDC換流器的基本模塊是三相全橋電路，又稱為格雷茲(Graetz)橋。換流變壓器的交流側(cè)配有有載調(diào)壓分接頭，交流側(cè)通常采用星型接地(Yn)聯(lián)接，閥側(cè)繞組通常采用三角形(△)或星形(Y)聯(lián)接。

1.1 六脈波全橋整流器

圖1 6脈波整流器原理接線圖

6脈波整流器原理接線圖如圖1所示，即應(yīng)用最為廣泛的三相橋式全控橋整流電路。其中，νA1，νB1，νC1為等值交流系統(tǒng)的工頻基波正弦電壓;Lr為每相的等值換相電感;Ld為平波電抗器;V1～V6為換流閥，換流閥的基本元件是晶閘管，其特點(diǎn)如下：

1)晶閘管導(dǎo)通條件。陽(yáng)極對(duì)陰極電壓為正，且控制極對(duì)陰極加上足夠能量的正向觸發(fā)脈沖時(shí)才能導(dǎo)通。這兩個(gè)條件必須同時(shí)具備，缺一不可。

2)晶閘管關(guān)斷條件。一旦晶閘管導(dǎo)通，只能當(dāng)流經(jīng)它的電流為零時(shí)才能關(guān)斷。否則即使去除了觸發(fā)脈沖，也不能關(guān)斷，晶閘管仍能繼續(xù)導(dǎo)通。

當(dāng)觸發(fā)脈沖到Pi來(lái)時(shí)且滿足導(dǎo)通條件時(shí)，第i個(gè)晶閘管導(dǎo)通，但由于Lr的存在，閥電流不可能立刻上升到Id(當(dāng)整流器直流側(cè)帶負(fù)荷時(shí)，由于平波電抗器和直流濾波器的存在，使得直流電流波形近似平直，其平均值為Id)。同理，在將要關(guān)斷的晶閘管的電流也不可能立刻從Id降到零。它們都必須經(jīng)歷一段時(shí)間，才能完成換流過程，這段時(shí)間對(duì)應(yīng)的電角度μ1稱為換相角。

在換相過程中，同一個(gè)半橋中參與換相的兩個(gè)閥都處于導(dǎo)通狀態(tài)，從而形成換流變壓器閥側(cè)繞組的兩相短路。在剛導(dǎo)通的閥中，電流方向與兩相短路電流的方向相同，電流從零開始上升到Id。而在將要關(guān)斷的閥中，其電流方向與兩相短路電流的方向相反，電流則從Id開始下降，直至到零而關(guān)斷，從而完成換流閥之間的換相過程。

6脈波整流器的直流電壓平均值為：

式中：Ud0為理想空載直流電壓;Xr為換相電抗。換相角是換流器運(yùn)行中的重要參數(shù)，可以表示為：

式中：E1為閥側(cè)繞組空載線電壓有效值。由式(2)可知，μ1與Id、E1、Xr和α四個(gè)因素有關(guān)。當(dāng)Xr和α不變時(shí)，μ1隨Id的增加或E1的下降而增大;當(dāng)Xr增大時(shí)，μ1增大;當(dāng)運(yùn)行在整流工況時(shí)，μ1隨α的增大而減少。

1.2 6脈波全橋逆變器

與整流器相同，逆變器也是由6個(gè)換流閥組成的三相橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。換流器作逆變運(yùn)行時(shí)，其共陰極點(diǎn)m的電位為負(fù)，共陽(yáng)極點(diǎn)n的電位為正，與整流器運(yùn)行時(shí)極性相反。逆變器的6個(gè)閥V1～V6，也是按同整流器一樣的順序，借助于換流變壓器閥側(cè)繞組的兩相短路電流進(jìn)行換相。在一個(gè)工頻周期內(nèi)，分別在共陽(yáng)極組和共陰極組的三個(gè)閥中，將流入逆變器的直流電流，交替地分成三段，送入換流變壓器的三相繞組，使直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟姟?/p>

為了保證逆變器的換相成功，換流閥從關(guān)斷(閥中的電流為零)到其電壓由負(fù)變正的過零點(diǎn)之間的時(shí)間要足夠長(zhǎng)，使得閥關(guān)斷后處于反向電壓的時(shí)間能夠滿足其恢復(fù)阻斷能力的要求。否則，當(dāng)閥電壓變正時(shí)，在無(wú)觸發(fā)脈沖的情況下，閥可能又重新導(dǎo)通，從而造成換相失敗[9_10]。

2 基于12脈波換流器的HVDC原理及控制策略

2.1 工作原理

圖2為12脈波HVDC系統(tǒng)原理接線圖。12脈波換流器由兩個(gè)6脈波換流器在直流側(cè)串聯(lián)而成，換流變壓器的閥側(cè)繞組一個(gè)為星形接線，一個(gè)為三角形接線，從而使兩個(gè)六脈波換流器的換相電壓相位相差30°，從而使輸出整流和逆變電壓在每個(gè)交流電壓周期中脈動(dòng)12次，故稱為12脈波換流器。其工作原理與6脈波換流器相同，也是利用交流系統(tǒng)的兩相短路電流來(lái)進(jìn)行換相[9_10]。

直流電壓通過改變換流器的觸發(fā)角以及交流電壓來(lái)控制，當(dāng)交流電壓或直流電流變化時(shí)，也可通過改變觸發(fā)角來(lái)維持直流電壓或電流不變。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，直流回路的電流方向不能改變，但可以通過改變觸發(fā)角來(lái)改變電壓，從而改變直流功率輸送的方向。HVDC系統(tǒng)整流站包括最小觸發(fā)角控制、直流電流控制、直流電壓控制、低壓限流控制和直流功率控制;逆變站包括最大觸發(fā)角控制、直流電流控制、直流電壓控制、低壓限流控制和定關(guān)斷角控制[11_12]。

圖2 12脈波HVDC系統(tǒng)原理接線圖

2.2 整流站控制策略

1)最小觸發(fā)角αmin控制。從國(guó)內(nèi)外HVDC工程的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，最小αmin參考角整定在5°左右，以保證觸發(fā)時(shí)換流閥有足夠的正電壓，避免換相失敗。

2)直流電流控制。控制HVDC穩(wěn)態(tài)運(yùn)行電流，從而控制直流輸送功率和調(diào)節(jié)交流系統(tǒng)運(yùn)行性能。由閉環(huán)調(diào)節(jié)器控制觸發(fā)角，換流變壓器抽頭切換裝置保持α的范圍為10°～20°。

3)直流電壓控制。限制直流過電壓，其電壓整定值通常略高于額定直流電壓，當(dāng)直流電壓高于設(shè)定值時(shí)，加大α角，起到限壓作用。

4)低壓限流控制。低壓限流特性的直流電壓動(dòng)作值，整流站取0.35～0.45 p.u，直流電流定值取0.3～0.4 p.u。

5)直流功率控制：整定功率值，除以實(shí)測(cè)直流電壓，從而獲得所需的直流電流定值。

2.3 逆變站控制策略

1)最大觸發(fā)角限制。為了限制調(diào)節(jié)器超調(diào)導(dǎo)致逆變器觸發(fā)角太大，造成關(guān)斷角太小而引起換相失敗，需要設(shè)置最大觸發(fā)角限制，通常為150°～160°。

2)直流電流控制。逆變器定電流調(diào)節(jié)器的整定值比整流側(cè)小，在正常工況下電流調(diào)節(jié)器不參與工作。只有當(dāng)整流側(cè)電壓大幅降低或逆變側(cè)電壓大幅升高時(shí)，才發(fā)生控制模式轉(zhuǎn)換，變?yōu)橛烧髌髯钚∮|發(fā)角控制來(lái)控制直流電壓，逆變器定電流控制來(lái)控制直流電流。

3)直流電壓控制。逆變站采用定直流電壓控制與定關(guān)斷角控制相比，更有利于受端交流系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定。當(dāng)受端為弱交流系統(tǒng)時(shí)，逆變器的正?？刂品绞酵捎枚妷嚎刂?，而定關(guān)斷角控制則作為限制器使用，以防止換相失敗。

4)低壓限流控制。逆變側(cè)低壓限流控制需和整流側(cè)特性配合，保持電流裕度，逆變站低壓限流控制的直流電壓動(dòng)作值取0.35～0.75 p.u，直流電流定值取0.1～0.3 p.u。

5)定關(guān)斷角γ控制。當(dāng)換流器作逆變運(yùn)行時(shí)，從被換相的閥電流過零開始，到該閥重新被加上正向電壓為止對(duì)應(yīng)的電角度，稱為關(guān)斷角。如果γ角太小，以致晶閘管來(lái)不及完全恢復(fù)其正向阻斷能力，又重新加上正向電壓，就會(huì)發(fā)生換相失敗，嚴(yán)重?cái)_亂直流功率的傳輸。另一方面，直流電壓Ud可表示為：

式中：Ud為直流電壓;Ud0為逆變器理想空載直流電壓;γ為關(guān)斷角;μ為換相角。由式(3)可見，關(guān)斷角增大，使逆變器直流電壓降低，從而減少了輸送功率、降低設(shè)備利用率。因此，關(guān)斷角設(shè)置需要折中考慮，一般工程上調(diào)節(jié)關(guān)斷角到15°左右。

EMTP程序?qū)VDC換流站看成兩個(gè)非線性元件組，一組連接于交流網(wǎng)絡(luò)，另一組連接于直流網(wǎng)絡(luò)，并且將網(wǎng)絡(luò)在每個(gè)非線性元件后進(jìn)行戴維南等值。在每個(gè)仿真時(shí)間點(diǎn)，在換流器模塊中求出非線性元件電流，并且用這些電流通過后補(bǔ)償法來(lái)計(jì)算所有EMTP網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓值，用控制系統(tǒng)暫態(tài)分析(TACS)程序仿真晶閘管驅(qū)動(dòng)控制方案。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 HVDC整流換流站的仿真結(jié)果

系統(tǒng)參數(shù)：電網(wǎng)電壓峰值224 kV，頻率50 Hz，A相電壓初始角度_60°。變壓器原邊阻抗RT1= 0.5Ω，LT1=120 mH，副邊Y繞組RT21=0.05Ω，LT21=16 mH，副邊Δ繞組RT22=0.15Ω，LT22= 48 mH。交流線路阻抗Rs=1Ω，Ls=20 mH，直流線路阻抗R=0.1Ω，L=300 mH，負(fù)載電阻RL= 500Ω，閥組的觸發(fā)角α=18°。仿真波形如圖3所示。

圖3 HVDC整流換流站仿真波形

由圖3可知，直流母線電壓νPOS1平均值為245 kV，變壓器副邊Y型繞組電流iA21，iB21，iC21為典型6脈波整流電流波形，且包含6k±1(k為正整數(shù))次諧波分量。變壓器副邊Δ繞組電流iA22，iB22，iC22分別比Y型繞組電流iA21，iB21，iC21滯后30°，同樣包含6k±1(k為正整數(shù))次諧波分量。交流電網(wǎng)三相電流iA1，iB1，iC1為多電平階梯波，由于變壓器Y/△接法，交流電網(wǎng)電流僅包含12k±1 (k為正整數(shù))次諧波分量。

3.2 HVDC逆變換流站的仿真結(jié)果

系統(tǒng)參數(shù)：電網(wǎng)電壓峰值224 kV，頻率60 Hz，A相電壓初始角度120°。變壓器原邊阻抗RT1=0.5Ω，LT1=120 mH，副邊Y繞組RT21= 0.05Ω，LT21=16 mH，副邊Δ繞組RT22=0.15Ω，LT22=48mH。交流線路阻抗Rs=1Ω，Ls=20 mH，直流線路阻抗R=150Ω，L=300 mH，直流電壓245 kV，閥組的觸發(fā)角β=120°。

圖4為HVDC逆變換流站的仿真波形。由圖4可知，直流母線電壓νPOS1X平均值為245 kV，變壓器副邊Y型繞組電流iA21X，iB21X，iC21X為典型6脈波電流波形，且包含6k±1(k為正整數(shù))次諧波分量。變壓器副邊Δ繞組電流iA22X，iB22X，iC22X分別比Y型繞組電流iA21X，iB21X，iC21X滯后30°，同樣包含6k±1(k為正整數(shù))次諧波分量。交流電網(wǎng)三相電流iA1X，iB1X，iC1X為多電平階梯波，同樣僅包含12k±1(k為正整數(shù))次諧波分量。

圖4 HVDC逆變換流站仿真波形

3.3 HVDC實(shí)現(xiàn)異步聯(lián)網(wǎng)的仿真結(jié)果

整流站參數(shù)：電網(wǎng)電壓峰值224 kV，頻率50 Hz，A相電壓初始角度_60°。交流線路阻抗Rs=1Ω，Ls=20 mH，直流線路阻抗R=2Ω，L= 300 mH，閥組的觸發(fā)角α=45°。逆變站參數(shù)：電網(wǎng)電壓峰值224 kV，頻率50 Hz，A相電壓初始角度_60°。交流線路阻抗Rs=1Ω，Ls=20 mH，直流線路阻抗R=2Ω，L=300 mH，閥組的觸發(fā)角β =120°。

圖5為HVDC異步聯(lián)網(wǎng)的仿真波形。由圖5可知，送端電網(wǎng)的頻率為50 Hz，接收端電網(wǎng)頻率為60 Hz，直流母線電壓穩(wěn)定在180 kV左右。通過仿真分析，驗(yàn)證了HVDC具有異步聯(lián)網(wǎng)的功能。在搭建的電路模型基礎(chǔ)上，學(xué)生可以靈活的改變主電路和控制參數(shù)，驗(yàn)證恒功率、恒電流控制等功能，開展探索性研究型學(xué)習(xí)。

圖5 HVDC異步聯(lián)網(wǎng)的仿真波形

4 結(jié)束語(yǔ)

在教學(xué)實(shí)踐中，以高壓直流輸電(HVDC)為工程背景，將EMTP軟件引入《電力電子技術(shù)》課程的研究型教學(xué)。實(shí)踐表明，按照上述模式開展研究型教學(xué)，能夠很好地結(jié)合電力電子技術(shù)、自動(dòng)控制原理、EMTP仿真等知識(shí)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深了學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，顯著地改善了教學(xué)效果、提高了教學(xué)質(zhì)量，對(duì)《電力電子技術(shù)》課程的研究型教學(xué)是一種創(chuàng)新和有益的探索。

[1]張曉瀛，馬東堂，王德剛.美國(guó)MIT電氣科學(xué)與工程專業(yè)本科生培養(yǎng)[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34 (4)：8_10.

[2]王兆安，黃俊.電力電子技術(shù)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3]陳堅(jiān).電力電子學(xué)[M].2版.北京：高等教學(xué)出版社，2004.

[4]賀益康，潘再平.電力電子技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[5]李旭春，王春鳳.創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)，提高電力電子技術(shù)基礎(chǔ)課程教學(xué)效果[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2012，29 (7)：11_13.

[6]丘東元，劉斌，張波，等.“電力電子技術(shù)”綜合性課程設(shè)計(jì)內(nèi)容探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34 (1)：49_51，62.

[7]韋篤取，丘東元，張波.復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(1)：29_31，75.

[8]張謙，朱學(xué)貴，劉杰，等.ATP_EMTP在“電力系統(tǒng)分析”教學(xué)中的應(yīng)用[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2012，34(1)：73_75.

[9]劉振亞.特高壓直流輸電理論[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[10]李興源.高壓直流輸電系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2010.

[11]趙琬君.高壓直流輸電工程技術(shù)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2011.

[12]Vijay K Sood.HVDC and FACTS controllers：Applications of static converters in power systems[M].New York：Springer-Verlag，2004.

Case Design and Discussion of Research-oriented Teaching M ethod in the Course of Power Electronics Technologies

HAN Yang
(School of Mechatronics Engineering，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 611731，China)

The innovative teachingmethod is proposed for teaching the controlled rectifiers and active inversion circuits in Power Electronics Technology course，based on the example of the High-Voltage Direct Current(HVDC)system，the characteristics and difficulties are discussed and the relationships between the theoretical teaching and practical applications are analyzed.This paper analyzed the three-phase bridge-rectifier，active inversion circuits，and the principle and controlmethod of the HVDC system based on the twelvepulse inverter，the simulation circuits of these systems are builtby EMTP software，which overcomes the drawbacks of the conventional experimental teaching such as the dependence on hardware and poor interoperability.Thismethod provides new idea and solution for the research-oriented teaching for power electronics course.

research-oriented teaching;teaching reform;power electronics;HVDC

TN7；G420.0

A

10.3969/j.issn.1672_4550.2014.01.010