基于PSCAD的逆变电路仿真

基于PSCAD的逆变电路仿真
王文婷;赵锦成;张岭
【摘要】逆变电路的工作过程伴有电磁暂态过程,波形复杂且不便实际测量.利用电磁暂态分析软件PSCAD,建立了(PWM)控制方式的并联谐振型逆变电路的仿真模型,在此基础上进行了电路仿真和分析,仿真波形能准确地反映逆变电路的电磁暂态过程,证实了PSCAD软件在电力系统仿真领域比其他仿真软件更具优势.%The work process of inverter circuit accompanies with electromagnetic transient process. Its waveform is com-plex and can not be measured conveniently. Therefore, a simulation model of parallel resonant inverter circuit which is con-trolled by pulse width modulation is built with the electromagnetic transient analysis software PSCAD. The simulation and a-nalysis of the circuit are performed on the basis of the model. The simulation waveform can reflect the electromagnetic transient process of the circuit accurately. The result confirms that PSCAD has more advantages in power system simulation than other simulation softwares.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2011(034)018
【总页数】3页(P190-191,194)
【关键词】PSCAD;逆变电路;脉冲宽度调制;建模
【作者】王文婷;赵锦成;张岭
【作者单位】军械工程学院,河北石家庄050003;军械工程学院,河北石家庄050003;军械工程学院,河北石家庄050003
【正文语种】中文
【中图分类】TN919-34;TM13
0 引言
逆变电路是将直流电变换成交流电的电路，被广泛应用于交流电机变频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置中。

逆变电路分电压型或电流型、有源或无源、单相或三相等类型。

但不管逆变电路是什么类型，一般都含有电容或电感元件。

当逆变电路的核心器件晶闸管开通或关断时，实际上会伴随着动态元件的充放电，是一个电磁暂态过程。

对于逆变电路的仿真，目前应用最多的软件就是
Matlab/Simulink[1-5]，另外还有PSpice,OrCAD等软件[6-7]。

但这些软件都没有考虑电力系统的电磁暂态过程。

PSCAD是当前国际上普遍流行的一种电磁暂态分析软件包，主要用来分析电力系统的暂态过程[8]，且具有很强的动态控制能力[9]。

本文以PSCAD为仿真环境，对(脉冲宽度调制，PWM)控制方式的单相桥式
并联谐振型逆变电路进行了建模和仿真，并对仿真结果进行了分析，证实了PSCAD软件在存有电磁暂态的电力系统仿真和设计领域有良好的应用前景。

1 电路工作原理
单相桥式并联谐振型逆变电路(如图1所示)由4个桥臂组成，VT1～VT4为四个晶闸管，每个晶闸管各串一个电抗LT，用来限制晶闸管开通时的电流变化率。

Ld是一个大电感，用来滤除直流电源的谐波。

换流电容C用来关断晶闸管，并为感性
负载(RL串联电路)提供无功功率。

为了得到较高的功率因数和效率，一般由电容
C和L，R构成并联谐振回路。

若使桥臂1，4和桥臂2，3轮流导通，并联谐振回
路对负载电流中接近谐振频率的基波成分呈现高阻抗，而对高次谐波成分则呈现低阻抗，谐波电压分量都被衰减，负载两端电压波形接近正弦波。

图1 并联谐振型逆变电路
负载并联电路的复导纳为：
(1)
负载并联电路的功率因数为：
(2)
谐振时，负载并联电路呈现纯阻性，阻抗达到最大，导纳最小，所以谐振时导纳的虚部为零：
ω2L2C+R2C-L=0
(3)
因此谐振时，逆变电路的固有角频率为：
(4)
若忽略电抗器LT的损耗和晶闸管的压降，可得到负载电压有效值U0和直流电压Ud的关系[10]：
(5)
2 逆变电路的建模与仿真
2.1 逆变电路的建模
图2是由IGBT晶闸管构成的并联谐振型逆变电路模型。

晶闸管VT1～VT4由两路
互差180°的PWM信号控制其开通还是断开，故PWM信号的频率也就是逆变电路的工作频率。

改变PWM的频率，可以使电路处于谐振或非谐振状态。

电路参数设置如下：IGBT晶闸管采用默认设置，串联电抗为1 H；供电电压源的电压值设为100 V，无内阻；负载并联回路的参数L为10 H，R为100 Ω，C为1 μF，对应负载回路的固有谐振频率为50.3 Hz；PWM脉冲频率设置为50 Hz，电路基本处于谐振状态。

为了获得平直的直流电流，滤波电感应选择大些，这里取1 000 H。

图2 并联谐振型逆变电路模型
2.2 逆变电源的仿真
打开工程设置窗口，选择Standard算法，设置仿真持续时间为0.5 s，仿真时间步长为50 μs，然后在仿真界面点击开始按钮，即得仿真结果如图3所示。

其中，图3(a)是0≤t≤0.5 s整个仿真时间段的结果。

为了看清各个量的变化过程，图3(b)截取了仿真过程中的0.3 s≤t≤0.4 s时间段。

从图3(a)可以看出，由于滤波电感的存在，仿真开始后，逆变电路中的电流Id会逐渐增大，并有一定波动，然后趋于平直，导致逆变电路的输出电压幅度也随此规律变化。

另外，由于电路基本处于谐振状态，负载并联回路阻抗达到最大，此时电路中的电流最小，只有毫秒级。

图3 逆变电路仿真结果
从图3(b)可以看出，当加在晶闸管VT1和VT4的门极电压为正，VT2和VT3的电压为负时，VT1和VT4开始导通，VT2和VT3开始关断。

由于串联电感LT数值不大，限流作用不明显，当晶闸管VT1和VT4开始导通时，IVT1和IVT4会出现一个正向尖峰，然后由于LT的存在，这2个电流有一个逐渐增大的过程；类似地，当晶闸管VT2和VT3开始关断时，IVT2和IVT3会出现一个负向尖峰，然后有一个逐渐减小的过程。

这中间会出现4个晶闸管电流都大于零的阶段，这个阶
段也就是逆变电路的换流阶段。

当加在VT1和VT4的门极电压为负，VT2和VT3的电压为正时，VT2和VT3开始导通，VT1和VT4开始关断。

由于VT1，VT4
和VT2，VT3轮流导通，使得逆变电路两端电压Uab的脉动频率为负载回路电压频率的2倍。

在数值关系上，负载电压有效值约为120 V，负载功率因数等于
0.93，满足下式：
3 结语
本文在PSCAD仿真环境下，对负载谐振式逆变电路进行了建模和仿真。

仿真表明，结果能准确地反映逆变电路的电磁暂态过程，克服了常规仿真软件不能进行电磁暂态仿真的弊端，可为电力系统的仿真与设计提供借鉴，具有一定的实际指导意义。

参考文献
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