应用PSCAD进行电力电子装置仿真课件

PSCAD电力电子装置仿真电力电子装置仿真谭甜源谭甜源武汉大学电气工程学院武汉大学电气工程学院武汉大学电气工程学院武汉大学电气工程学院2012.062012.06PSCAD电力电子装置仿真谭甜源应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真主要内容第一部分：基本模块及功能介绍第一部分：基本模块及功能介绍第一部分：基本模块及功能介绍第一部分：基本模块及功能介绍l l电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系统的搭建、自定义模块、与统的搭建、自定义模块、与统的搭建、自定义模块、与统的搭建、自定义模块、与MATLABMATLAB的仿真接的仿真接的仿真接的仿真接口口口口第二部分：软件自带例程介绍第二部分：软件自带例程介绍第二部分：软件自带例程介绍第二部分：软件自带例程介绍l lPower ElectronicsPower Electronics、APFAPF第三部分：几个典型的应用案例分析第三部分：几个典型的应用案例分析第三部分：几个典型的应用案例分析第三部分：几个典型的应用案例分析l l模拟系统的仿真、数字系统的仿真、模拟系统的仿真、数字系统的仿真、模拟系统的仿真、数字系统的仿真、模拟系统的仿真、数字系统的仿真、PWMPWM脉冲脉冲脉冲脉冲策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真2主要内容第一部分：基本模块及功能介绍2应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真第一部分 基本模块及功能介绍1.1.电力电子器件电力电子器件模型：两状态模型：两状态电阻性开关电阻性开关3第一部分 基本模块及功能介绍电力电子器件模型：两状态电阻性开应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真二极管二极管4二极管4应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真晶闸管晶闸管5晶闸管5应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真GTR、GTO、IGBT6GTR、GTO、IGBT6应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真2.2.插值触发脉冲发生器插值触发脉冲发生器 1)为什么需要插值算法？为什么需要插值算法？例：二极管从导通到关断的仿真过程例：二极管从导通到关断的仿真过程7插值触发脉冲发生器例：二极管从导通到关断的仿真过程7应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真2)如何实现？如何实现？Interpolated Firing Pulses Generator 输出为输出为2维数组，包括：触发脉冲维数组，包括：触发脉冲0或者或者1，以及插值时，以及插值时间间t，其结果是基于输入信号，其结果是基于输入信号H和和L的比较：当的比较：当HL时，输出时，输出1，否则输出，否则输出0。如果触发时刻在两次仿真步长之间，则会。如果触发时刻在两次仿真步长之间，则会采用插值算法求出准确的动作时刻采用插值算法求出准确的动作时刻t+t82)如何实现？Interpolated Firing Pul应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3)Band Limit Proximity Correction的含义？的含义？调制波处于载波临界区域调制波处于载波临界区域时可能漏掉触发脉冲时可能漏掉触发脉冲设置该参数后可以通过插值算法设置该参数后可以通过插值算法避免漏掉触发脉冲的情况出现避免漏掉触发脉冲的情况出现93)Band Limit Proximity Correc应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.3.控制系统搭建控制系统搭建(电力电子装置常用控制模电力电子装置常用控制模块块)3.1锁相环锁相环10控制系统搭建(电力电子装置常用控制模块)10应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.2静止坐标系和旋转坐标系变换静止坐标系和旋转坐标系变换113.2静止坐标系和旋转坐标系变换11应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.2静止坐标系和旋转坐标系变换（老版本）静止坐标系和旋转坐标系变换（老版本）123.2静止坐标系和旋转坐标系变换（老版本）12应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.3 PI控制器控制器方案方案1：封装好的模块：封装好的模块方案方案2：分立模块组合构成：分立模块组合构成133.3 PI控制器方案1：封装好的模块方案2：分立模块组合应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.4 传递函数传递函数143.4 传递函数14应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.5 载波调制载波调制PWM算法算法方案方案1：方案方案2：153.5 载波调制PWM算法方案1：方案2：15应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.6 采样和保持模块采样和保持模块163.6 采样和保持模块16应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.7 滤波器滤波器可实现：低通、带通、高通、带阻等各种类型的滤波器可实现：低通、带通、高通、带阻等各种类型的滤波器 173.7 滤波器可实现：低通、带通、高通、带阻等各种类型的滤应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.8 逻辑控制电路逻辑控制电路多输入逻辑门电路：包括与、或、异或等多输入逻辑门电路：包括与、或、异或等183.8 逻辑控制电路多输入逻辑门电路：包括与、或、异或等18应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真3.9 FFT模块模块193.9 FFT模块19应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真4.4.自定义元件自定义元件/模块模块1）调用）调用“元件向导元件向导”来创建自定来创建自定义元件义元件/模块的模块的“壳体壳体”2）右键）右键“Edit Definition”进去后，进去后，采用采用Fortran语言来编写所需要的自语言来编写所需要的自定义元件的具体内容。定义元件的具体内容。3）直接双击进去编辑模块的内容）直接双击进去编辑模块的内容4）如何复制模块）如何复制模块20自定义元件/模块1）调用“元件向导”来创建自定义元件/模块的应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真5.5.与与MATLAB的仿真接口的仿真接口5.1 安装实现步骤安装实现步骤1）安装）安装Fortran 90以上的编译器；以上的编译器；2）安装合适版本的）安装合适版本的MATLAB（安装完的（安装完的MATLAB目录必须没有子目录必须没有子目录目录externlibwin32digitaldf60 才行）才行）；3）安装）安装PSCAD，安装完后重新启动计算机，使其能够找到已安装，安装完后重新启动计算机，使其能够找到已安装的的Fortran编译器；编译器；4）修改）修改PSCAD的设置，设置的设置，设置Edit-Workspace settings中的中的Fortran和和MATLAB选项卡选项卡 中的内容中的内容5）若在第）若在第3步中，步中，PSCAD自动找到了自动找到了Fortran编译器的位置，此时就编译器的位置，此时就可以打开可以打开MATLAB的接口例程进行仿真。否则应进一步修改的接口例程进行仿真。否则应进一步修改PSCAD安装目录下安装目录下emtdccf6windowsemtdc.cfg文件文件 21与MATLAB的仿真接口5.1 安装实现步骤21应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真2222应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真5.2 PSCAD与与MATLAB的仿真接口的仿真接口1）工作流程）工作流程 PSCAD内有一个内有一个Fortran文件文件DSDYN，通过它可以调用外部，通过它可以调用外部Fortran子程序。该子程序。该Fortran子程序可以启动子程序可以启动MATLAB数据引擎并建数据引擎并建立起立起Fortran子程序和子程序和MATLAB数据引擎之间的通信管道，同时，含数据引擎之间的通信管道，同时，含有有MATLAB命令的命令的M文件也传到文件也传到MATLAB数据引擎中，这样，数据引擎中，这样，PSCAD和和MATLAB就紧密地结合了起来，用户可以根据需要编制就紧密地结合了起来，用户可以根据需要编制M文件或文件或Simulink文件，实现所需的仿真。文件，实现所需的仿真。235.2 PSCAD与MATLAB的仿真接口23应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真5.2 PSCAD与与MATLAB的仿真接口的仿真接口2）在线帮助中给出的例程）在线帮助中给出的例程 245.2 PSCAD与MATLAB的仿真接口24应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真主要内容第一部分：基本模块及功能介绍第一部分：基本模块及功能介绍第一部分：基本模块及功能介绍第一部分：基本模块及功能介绍l l电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系统的搭建、自定义模块、与统的搭建、自定义模块、与统的搭建、自定义模块、与统的搭建、自定义模块、与MATLABMATLAB的仿真接的仿真接的仿真接的仿真接口口口口第二部分：软件自带例程介绍第二部分：软件自带例程介绍第二部分：软件自带例程介绍第二部分：软件自带例程介绍l lPower ElectronicsPower Electronics、APFAPF第三部分：几个典型的应用案例分析第三部分：几个典型的应用案例分析第三部分：几个典型的应用案例分析第三部分：几个典型的应用案例分析l l模拟系统的仿真、数字系统的仿真、模拟系统的仿真、数字系统的仿真、模拟系统的仿真、数字系统的仿真、模拟系统的仿真、数字系统的仿真、PWMPWM脉冲脉冲脉冲脉冲策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真25主要内容第一部分：基本模块及功能介绍25应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真1.1.Power Electronics（常见电力电子装置）（常见电力电子装置）2.2.1.1 Single-Phase Thyristor Half-Wave Rectifier1.1 Single-Phase Thyristor Half-Wave Rectifier（单相半波半控整流电路）（单相半波半控整流电路）（单相半波半控整流电路）（单相半波半控整流电路）知识点：知识点：知识点：知识点：用受控直流电压源和压控振荡器来产生单相交流用受控直流电压源和压控振荡器来产生单相交流用受控直流电压源和压控振荡器来产生单相交流用受控直流电压源和压控振荡器来产生单相交流电压；电压；电压；电压；用滑块手动输入实数用滑块手动输入实数用滑块手动输入实数用滑块手动输入实数/整数来控制晶闸管的触发整数来控制晶闸管的触发整数来控制晶闸管的触发整数来控制晶闸管的触发角角角角利用万用表测量电流和电压的瞬时值及电压的有利用万用表测量电流和电压的瞬时值及电压的有利用万用表测量电流和电压的瞬时值及电压的有利用万用表测量电流和电压的瞬时值及电压的有效值，该模块还可以用来测量有功功率、无功功效值，该模块还可以用来测量有功功率、无功功效值，该模块还可以用来测量有功功率、无功功效值，该模块还可以用来测量有功功率、无功功率和相角率和相角率和相角率和相角利用全局变量设置万用表测量时的基准频率为利用全局变量设置万用表测量时的基准频率为利用全局变量设置万用表测量时的基准频率为利用全局变量设置万用表测量时的基准频率为60Hz 60Hz 26Power Electronics（常见电力电子装置）26应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真1.2 Single-Phase GTO Half-Wave Rectifier1.2 Single-Phase GTO Half-Wave Rectifier（单相（单相（单相（单相半波全控整流电路）半波全控整流电路）半波全控整流电路）半波全控整流电路）知识点：知识点：知识点：知识点：演示演示演示演示GTOGTO全控型器件和全控型器件和全控型器件和全控型器件和SCRSCR半控型器件的区别，半控型器件的区别，半控型器件的区别，半控型器件的区别，及相应的脉冲生成方法的区别。及相应的脉冲生成方法的区别。及相应的脉冲生成方法的区别。及相应的脉冲生成方法的区别。271.2 Single-Phase GTO Half-Wave应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真1.3 Phase Controlled AC Switch1.3 Phase Controlled AC Switch（相控交流开关电（相控交流开关电（相控交流开关电（相控交流开关电路）路）路）路）知识点：知识点：知识点：知识点：相控交流开关电路的移相范围，如果初始触发相控交流开关电路的移相范围，如果初始触发相控交流开关电路的移相范围，如果初始触发相控交流开关电路的移相范围，如果初始触发角小于负载阻抗角会出现什么情况？角小于负载阻抗角会出现什么情况？角小于负载阻抗角会出现什么情况？角小于负载阻抗角会出现什么情况？演示过程中，带着大家分析可能出现的各种错演示过程中，带着大家分析可能出现的各种错演示过程中，带着大家分析可能出现的各种错演示过程中，带着大家分析可能出现的各种错误的仿真结果及解决办法。如：仿真步长太大，误的仿真结果及解决办法。如：仿真步长太大，误的仿真结果及解决办法。如：仿真步长太大，误的仿真结果及解决办法。如：仿真步长太大，导致不正确的结果等等。导致不正确的结果等等。导致不正确的结果等等。导致不正确的结果等等。281.3 Phase Controlled AC Switch应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真2.2.APFAPF（有源电力滤波器）（有源电力滤波器）（有源电力滤波器）（有源电力滤波器）2.1 6-Pulse Bridge2.1 6-Pulse Bridge（6 6脉波桥）（常用非线性负载）脉波桥）（常用非线性负载）脉波桥）（常用非线性负载）脉波桥）（常用非线性负载）知识点：知识点：知识点：知识点：6 6脉波桥的功能及输入输出端子的含义；脉波桥的功能及输入输出端子的含义；脉波桥的功能及输入输出端子的含义；脉波桥的功能及输入输出端子的含义；Node-LoopNode-Loop组件的用法组件的用法组件的用法组件的用法数据格式转换模块的用法数据格式转换模块的用法数据格式转换模块的用法数据格式转换模块的用法29APF（有源电力滤波器）29应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真2.2 Shunt APF2.2 Shunt APF（并联型有源电力滤波器）（并联型有源电力滤波器）（并联型有源电力滤波器）（并联型有源电力滤波器）知识点：知识点：知识点：知识点：并联型有源电力滤波器的工作原理；并联型有源电力滤波器的工作原理；并联型有源电力滤波器的工作原理；并联型有源电力滤波器的工作原理；基于瞬时无功功率法基于瞬时无功功率法基于瞬时无功功率法基于瞬时无功功率法(p-q(p-q算法算法算法算法)和滞环电流跟踪和滞环电流跟踪和滞环电流跟踪和滞环电流跟踪PWMPWM的控制系统及其搭建的控制系统及其搭建的控制系统及其搭建的控制系统及其搭建302.2 Shunt APF（并联型有源电力滤波器）30应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真2.3 Series APF2.3 Series APF（串联型有源电力滤波器）（串联型有源电力滤波器）（串联型有源电力滤波器）（串联型有源电力滤波器）知识点：知识点：知识点：知识点：串联型有源电力滤波器的工作原理；串联型有源电力滤波器的工作原理；串联型有源电力滤波器的工作原理；串联型有源电力滤波器的工作原理；仿真模块中无源滤波器组的作用仿真模块中无源滤波器组的作用仿真模块中无源滤波器组的作用仿真模块中无源滤波器组的作用检测系统电流的控制策略检测系统电流的控制策略检测系统电流的控制策略检测系统电流的控制策略312.3 Series APF（串联型有源电力滤波器）31应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真主要内容第一部分：基本模块及功能介绍第一部分：基本模块及功能介绍第一部分：基本模块及功能介绍第一部分：基本模块及功能介绍l l电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系电力电子器件、插值触发脉冲发生器、控制系统的搭建、自定义模块、与统的搭建、自定义模块、与统的搭建、自定义模块、与统的搭建、自定义模块、与MATLABMATLAB的仿真接的仿真接的仿真接的仿真接口口口口第二部分：软件自带例程介绍第二部分：软件自带例程介绍第二部分：软件自带例程介绍第二部分：软件自带例程介绍l lPower ElectronicsPower Electronics、APFAPF第三部分：几个典型的应用案例分析第三部分：几个典型的应用案例分析第三部分：几个典型的应用案例分析第三部分：几个典型的应用案例分析l l模拟系统的仿真、数字系统的仿真、模拟系统的仿真、数字系统的仿真、模拟系统的仿真、数字系统的仿真、模拟系统的仿真、数字系统的仿真、PWMPWM脉冲脉冲脉冲脉冲策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真策略的仿真、缓冲吸收电路的仿真32主要内容第一部分：基本模块及功能介绍32应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真1.1.仿真模拟连续控制系统仿真模拟连续控制系统仿真模拟连续控制系统仿真模拟连续控制系统采用滞环电流跟踪采用滞环电流跟踪采用滞环电流跟踪采用滞环电流跟踪控制法的控制法的控制法的控制法的APF APF 2.2.知识点：知识点：知识点：知识点：仿真前一定要明确目的，根据目的来选择建立仿真前一定要明确目的，根据目的来选择建立仿真前一定要明确目的，根据目的来选择建立仿真前一定要明确目的，根据目的来选择建立合适的模型。一般采用合适的模型。一般采用合适的模型。一般采用合适的模型。一般采用PSCADPSCAD建模仿真电力电建模仿真电力电建模仿真电力电建模仿真电力电子装置，主要用来验证控制策略（包括：控制子装置，主要用来验证控制策略（包括：控制子装置，主要用来验证控制策略（包括：控制子装置，主要用来验证控制策略（包括：控制算法和算法和算法和算法和PWMPWM算法等等），可以暂时不考虑电算法等等），可以暂时不考虑电算法等等），可以暂时不考虑电算法等等），可以暂时不考虑电力电子器件的开关频率、电压和电流应力等各力电子器件的开关频率、电压和电流应力等各力电子器件的开关频率、电压和电流应力等各力电子器件的开关频率、电压和电流应力等各方面的限制。方面的限制。方面的限制。方面的限制。验证基于验证基于验证基于验证基于ip-iqip-iq控制方法的控制效果控制方法的控制效果控制方法的控制效果控制方法的控制效果优化输出滤波器参数优化输出滤波器参数优化输出滤波器参数优化输出滤波器参数 33仿真模拟连续控制系统采用滞环电流跟踪控制法的APF 33应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真2.2.仿真离散数字控制系统仿真离散数字控制系统仿真离散数字控制系统仿真离散数字控制系统采用三角波比较法采用三角波比较法采用三角波比较法采用三角波比较法的的的的APF APF 知识点：知识点：知识点：知识点：仿真目的：分析受实际硬件限制所带来的工程仿真目的：分析受实际硬件限制所带来的工程仿真目的：分析受实际硬件限制所带来的工程仿真目的：分析受实际硬件限制所带来的工程问题。与理想模型仿真的区别在于更侧重于细问题。与理想模型仿真的区别在于更侧重于细问题。与理想模型仿真的区别在于更侧重于细问题。与理想模型仿真的区别在于更侧重于细节方面的处理，尽量使仿真条件与实际装置的节方面的处理，尽量使仿真条件与实际装置的节方面的处理，尽量使仿真条件与实际装置的节方面的处理，尽量使仿真条件与实际装置的运行情况保持一致，通过仿真复现实验波形，运行情况保持一致，通过仿真复现实验波形，运行情况保持一致，通过仿真复现实验波形，运行情况保持一致，通过仿真复现实验波形，从而分析原因并找到解决方案。从而分析原因并找到解决方案。从而分析原因并找到解决方案。从而分析原因并找到解决方案。将所有输入到控制器的采样量利用采样器按照将所有输入到控制器的采样量利用采样器按照将所有输入到控制器的采样量利用采样器按照将所有输入到控制器的采样量利用采样器按照实际的采样频率离散化，以尽量接近控制器的实际的采样频率离散化，以尽量接近控制器的实际的采样频率离散化，以尽量接近控制器的实际的采样频率离散化，以尽量接近控制器的实际情况。实际情况。实际情况。实际情况。锯齿波调制算法采样时刻不同对锯齿波调制算法采样时刻不同对锯齿波调制算法采样时刻不同对锯齿波调制算法采样时刻不同对APFAPF补偿效果补偿效果补偿效果补偿效果的影响。的影响。的影响。的影响。34仿真离散数字控制系统采用三角波比较法的APF 34应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真PSCAD在线帮助系统 软件自带有在线帮助系统（软件自带有在线帮助系统（On-line Help System），包含软），包含软件用户手册及所有元件的使用说明。按件用户手册及所有元件的使用说明。按F1键即可弹出下图所示键即可弹出下图所示帮助系统。一般用户所经常使用的是帮助系统。一般用户所经常使用的是PSCAD Manual和和Master Library Models。PSCAD/EMTDC提供了丰富的帮助功能，在其自带的任一元件提供了丰富的帮助功能，在其自带的任一元件上点右键选上点右键选help则打开帮助文档，文档中对每个元件的功能、则打开帮助文档，文档中对每个元件的功能、用法等都有非常详细的说明。用法等都有非常详细的说明。35PSCAD在线帮助系统 软件自带有应用应用PSCADPSCAD进行电力电子装置仿真进行电力电子装置仿真谢谢！谢谢！36谢谢！36