基于PSCAD的直流斩波电路的仿真

摘 要:现代电力电子技术其理论性和实践性较强,电路和波形图多且复杂。在电磁暂态分析软件PSCAD中建立Buck-chopper电路的仿真模型,在此基础上对直流斩波电路进行了较详细的仿真分析。仿真波形与常规分析方法得到的结果一致,证实了PSCAD软件能够在电力电子技术仿真和研究中具有较好的应用价值。

关键词:PSCAD; 直流斩波电路; 建模; 仿真

中图分类号:TM13 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)13-0209-02

Simulation of DC Chopping Circiut Based on PSCAD

TANG Ren-biao

(Jingyin Polytechnic College, Jiangyin 214405, China)

Abstract: A simulation model of Buck-chopper circuit was established in electromagnetic transient analysis software PSCAD. The simulation analysis of DC chopping circiut is performed attentively on the basis of the model. The simulation waveform is consistent with the results gotten by the method of conventional analysis. The result confirms that the PSCAD software can be applied to the power electronics technology simulation and research.

Keywords: PSCAD; DC chopping circiut; modeling; simulation

在电力电子技术中,将直流电的一种电压值通过电力电子变换装置变换为另一种固定或可调电压值的变换,称为直流-直流变换。由于其基本原理是利用开关器件对输入电压波形周期性地“斩切”,因此也常称为斩波器。开关型直-直换流器广泛用于直流开关稳压电源和直流电机驱动等领域中。有许多的文献与杂志用不同的电力电子仿真软件对其进行了仿真[1-5] ,这里主要讨论了PWM(脉冲宽度调制)控制方式的降压电路(Buck Chopper),并应用可视化电磁暂态仿真软件PSCAD,对该电路及降压电路进行了建模,并对仿真结果进行了分析,得到了一种直观、快捷分析直流变换电路的新方法。

1 直流斩波电路工作原理

直流降压斩波电路原理图如图1(a)所示[6-7] 。图中用理想开关S代表实际的电力电子开关器件;R为纯阻性负载。当开关S在ton时间接通时,加到负载电阻上的电压Uo等于直流电源Ud。当开关S在toff时间断开时,输出电压为零,直流变换波形如图1(b)所示。

输出电压平均值为:

UR=uR=1Ts∫Ts0uRdt=1Ts∫t┆on0U┆ddt

=Udt┆ont┆on+t┆off=t┆onTsUd=DUd

(1)

式中:t┆on为斩波开关S在一个周期内的导通时间;t┆off为斩波开关S在一个周期内的关断时间;Ts为斩波周期;D为占空比,D=t┆on/Ts。

图1 带纯电阻负载的降压斩波器工作原理

由此可见,Ц谋涞纪ㄕ伎毡D,就能够控制斩波电路输出电压Uo的大小。由于D是在0～1之间变化的系数,因此输出电压Uo总小于输入电压Ud,即为降压输出。

2 PSCAD简介

电力系统电磁暂态计算程序PSCAD是目前世界上广泛使用的一种电力系统分析软件。其大规模的计算容量、完整而准确的元件模型库、稳定高效的计算内核、友好的界面和良好的开放性等特点,已经被世界各国的科研机构、学校和电气工程师广泛使用[8-10] 。PSCAD/EMTDC有以下元件模型库:

(1) 集中参数电阻R、电感L、电容C;随时间变化的电阻R、电感L、电容C;电压源、电流源、多相谐波源;

(2) 测量元件库,包括单相电压表、电流表、三相电压表(RMS)、瞬时有功功率/无功功率表、频率表及相位(差)表;

(3) 高压直流输电(HVDC)及灵活交流输电(FAcTs)模型库,包括二极管、晶闸管、GTO、IGBT及避雷器模型库,可以进行电力电子仿真。

(4) 控制系统模型库,包含91种交/直流控制、数字/模拟控制模型;逻辑电路库等。

3 直流斩波电路的建模与仿真

3.1 由IGBT构成直流降压斩波电路的建模和参数设置

图2为由IGBT组成的Buck直流变换器仿真模型,在前面工作原理中分析得到输出电压在0~Ud之间跳变,这在许多应用中是不允许的,解决的方法就是在图中通过续流二极管释放存储在电感中的能量,即在IGBT导通区间,由于二极管呈反偏状态,由输入端向负载和电感提供能量,而当IGBT断开时,电感电流经续流二极管将存储能量释放给负载;利用电感和电容元件组成的低通滤波器可削弱输出电压的跳变。IGBT按默认参数设置,电压源参数取Us=100 V,L=100 mH,C=0001 μF;负载参数取R=2 Ω。

图2 IGBT构成直流降压斩波电路

3.2 直流降压斩波电路的仿真

打开仿真参数窗口,选择standard算法,solution time step为100 μs,停止仿真时间设置为0.5 s,控制脉冲周期设置为0001 s(频率为1 000 Hz),控制脉冲占空比分别为40%,50%,80%。参数设置完毕后,启动仿真,得到图3的仿真结果。

由图3可以看出,负载上电压分别为40 V,50 V,80 V,满足公式:

Uo=t┆onTsUd=DUd

4 结 语

通过以上的仿真过程分析,可以得到下列结论:直流变换电路主要以全控型电力电子器件作为开关器件,

通过控制主电路的接通与断开,将恒定的直流斩成断续的方波,经滤波后变为电压可调的连续直流输出电压。利用PSCAD对降压斩波电路仿真结果进行了详细分析,验证了仿真结果的正确性。

图3 Buck Chopper仿真结果图

参考文献

[1]罗伟,张明焱.基于Saber的Buck电路仿真与分析[J].电力系统及其自动化学报,2007,19(3):122-124,128.

[2]高春侠,张磊.PSPICE软件在电力电子教学过程中的应用[J].电力系统及其自动化学报,2007,19(3):125-128.

[3]王利清,魏学业.基于计算机仿真的Buck-Boost电路研究[J].系统仿真学报,2004,16(1):52-54.

[4]王春芳,王开艳,李强.Buck变换器仿真模型及分岔与混沌研究[J].系统仿真学报,2007,19(24):5824-5826.

[5]孔凡燕,潘庭龙.PLECS在DC/DC变换器中的应用[J].通讯电源技术,2008(1):52-54.

[6]张一工,肖湘宁.现代电力电子技术原理与应用[M].北京:科学出版社,1999.

[7]赵珂,曹建.基于BUCK型DC-DC变换器的仿真研究[J].南昌航空大学学报:自然科学版,2008(4):34-36.

[8]林良真,叶林.电磁暂态分析软件包PSCAD/EMTDC[J].电网技术,2000,24(1):65-66.

[9]Manitoba HVDC Research Centre Inc. PSCAD user′s guide[M]. Manitoba: Manitoba HVDC Research Centre Inc., 2003.

[10]Manitoba HVDC Research Centre Inc. EMTDC user′s guide[M]. Winnipeng: Manitoba HVDC Research Centre Inc., 2002.