电力电子PSIM 仿真与应用

能源变换在航空航天、工业生产、交通运输、电力系统、电子装置及家用电器等领域随处可见。随着能源消耗的日益增大，社会经济的可持续发展，对能源变换提出了更高的要求。电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的电子技术，其主要内容是利用大功率电子器件对能量进行变换和控制，涉及电力学、电子学和控制理论三个学科，涵盖知识面广，学习难度大。电力电子仿真可在未搭建实际电路前进行电路原理验证与性能分析，有利于工程技术人员和科研人员快速设计电力电子变换电路及控制策略。
本书以“电力电子技术”课程内容为基础，以PSIM专业仿真软件为载体，以电力电子四大变换电路及其控制为切入点，深入浅出地讲解和讨论PSIM仿真环境、PSIM元件模型、PSIM基本操作与分析方法、整流变换电路仿真、直直变换电路仿真、逆变变换电路仿真、交交变换电路仿真等基础知识及控制方法，为电力电子变换电路建模与仿真提供一定的方法及理论。在探讨电力电子四大变换电路建模与仿真的基础上，本书借助PSIM仿真软件的SmartCtrl和SimCoder工具，对直流开关电源环路设计、SimCoder自动代码生成、DSP数控直流电源设计、DSP控制环路C程序代码自动生成等应用进行了详细、深入的讲解与探讨，为高年级本科生或研究生进一步学习和研究电力电子变换技术提供了帮助，使具有一定电力电子技术基础的学生能较好地理解和掌握电力电子四大变换电路的工作原理、控制方法及实践应用。
本书语言通俗易懂，内容丰富翔实，突出了以实例为中心的特点。在阐明基本原理的前提下，从变换电路仿真模型搭建、控制环路工作原理阐述、控制环路设计、仿真与分析等方面，将深奥、难懂、抽象的电力电子变换电路及其工作原理展现给读者，使读者能较好地理解和掌握电力电子变换电路的实际应用及控制方法，逐步从理论认知过渡到实践应用。
全书共分10章，其中第1章由固纬电子(苏州)有限公司张懋博士撰写，第2章由西南交通大学电气工程学院韩莹博士撰写，第3.1~3.4节和第4章由西南民族大学张珍珍博士撰写，第3.5~3.7节由国网江苏省电力有限公司检修分公司卞超撰写，第3.8~3.11节由国网江苏省电力有限公司检修分公司陶加贵博士撰写，第5、6、8、9、10章由西南民族大学游志宇博士撰写，第7章由国网江苏省电力有限公司检修分公司戴锋撰写。全书由游志宇统稿、定稿，戴锋、张珍珍审稿。
在本书撰写和出版过程中，得到西南民族大学黄勤珍教授、邵仕泉副教授的大力支持，并对本书提出了宝贵的意见和建议。另外，固纬电子(苏州)有限公司郭国栋执行副总经理也给予了大力支持，研究生李明月对本书进行了校稿，西南民族大学杜诚老师为本书出版进行了联系和协调工作，在此对他们的辛苦付出表示衷心的感谢。
本书的出版得到了西南民族大学教育教学研究与改革项目（2019YB26）、产学合作协同育人项目（201902111012）、西南民族大学一流本科课程建设项目（2020YLKC06）的资助，在此致谢。
由于撰写时间仓促，作者水平有限，书中难免存在疏漏和不足之处，敬请读者批评指正。

作者

2020年8月于成都

本书利用专业电力电子软件PSIM对电力电子变换电路进行仿真和设计。本书涉及PSIM基本仿真元件模型讲解、仿真软件基本操作及分析方法讲解、电力电子四大变换电路（交流整流仿真、直流变换、直流逆变、交-交变换）仿真模型搭建与分析讲解、PISM闭环开关电源环路设计讲解、数字控制器C程序代码自动生及基于DSP数字控制直流电源设计等的讲解。在讲解四大变换电路仿真模型构建及仿真时，除了对开环变换电路原理拓扑进行仿真验证，同时还涉及大量闭环反馈控制电路模型仿真，讲解了补偿环路的时域、频域设计及分析方法，数字直流电源的设计应用。

游志宇，男，博士，1980年10月生，西南民族大学电气信息工程学院讲师，硕士生导师。2015年毕业于西南交通大学电气工程学院，获工学博士学位，2018年至2019年在澳大利亚昆士兰大学做访问学者。 主要研究方向为新能源发电、电力电子变换与能量管理、精密测量与自动化控制。近年来主持、主研科研项目多项，发表SCI/EI论文10余篇 ，指导大学生创业创新计划项目及学科竞赛多项。

第1章PSIM仿真环境

1.1电力电子仿真概述

1.2PSIM简介

1.3PSIM仿真软件开发环境

1.3.1PSIM电路图输入编辑界面

1.3.2Simview波形显示界面

1.4本章小结

第2章PSIM元件模型

2.1元件模型参数设置

2.2功率电路元件库

2.2.1RLC支路元件模型

2.2.2开关元件模型

2.2.3变压器元件模型

2.2.4其他元件模型

2.2.5热损耗模型

2.2.6可再生能源模型

2.3控制电路元件库

2.3.1滤波器模型

2.3.2运算函数元件模型

2.3.3其他函数元件模型

2.3.4逻辑元件模型

2.3.5数字控制模型

2.3.6SimCoupler模块

2.4其他电路元件库

2.4.1开关控制器

2.4.2电压电流传感器

2.4.3探头和仪表

2.4.4功能块模型

2.5信号源元件库

2.5.1电压源

2.5.2电流源

2.5.3部分电源定义

2.6事件控制元件库

2.7SimCoder元件库

2.7.1TI F28335 Target

2.7.2PEPro/F28335 Target

2.7.3PEExpert3 Target

2.7.4通用硬件目标板

2.7.5全局变量与中断

2.8自定义元件库

2.9本章小结

第3章PSIM基本操作与分析方法

3.1元件查找与放置

3.2创建仿真电路

3.2.1新建电路原理图

3.2.2绘制仿真电路模型

3.3电路模型仿真

3.3.1仿真控制设置

3.3.2仿真运行与控制

3.4仿真结果查看与分析

3.4.1运行Simview

3.4.2仿真结果查看

3.5子电路创建

3.5.1子电路元件创建

3.5.2子电路元件调用

3.5.3主电路定义子电路元件参数

3.6元件参数文件应用

3.6.1参数文件格式说明

3.6.2参数文件调用示例

3.7内嵌C程序块应用

3.7.1简化C程序块

3.7.2通用C程序块

3.8外部动态链接库DLL应用

3.8.1外部DLL元件概述

3.8.2外部DLL导出功能函数

3.8.3外部DLL创建

3.8.4简单DLL元件应用示例

3.8.5通用DLL元件应用示例

3.9PSIM与MATLAB协同仿真

3.9.1SimCoupler接口模块概述

3.9.2SimCoupler协同仿真步骤

3.9.3平均电流控制Buck变换器协同仿真

3.10交流频域仿真分析

3.10.1交流频域分析元件模型

3.10.2交流频域分析设置方法

3.10.3交流频域分析示例

3.11参数扫描分析

3.12本章小结

第4章整流变换电路仿真

4.1单相整流电路仿真

4.1.1单相不可控整流电路仿真

4.1.2单相半波可控整流电路仿真

4.1.3单相桥式全控整流电路仿真

4.1.4单相全波可控整流电路仿真

4.1.5单相桥式半控整流电路仿真

4.2三相整流电路仿真

4.2.1三相半波不可控整流电路仿真

4.2.2三相半波可控整流电路仿真

4.2.3三相桥式全控整流电路仿真

4.3闭环可控整流电路仿真

4.3.1单相闭环可控整流变换仿真

4.3.2三相闭环可控整流变换仿真

4.4本章小结

第5章直直变换电路仿真

5.1斩波变换电路仿真

5.1.1降压变换电路仿真

5.1.2升压变换电路仿真

5.1.3升/降压变换电路仿真

5.1.4Cuk斩波变换电路仿真

5.1.5Sepic斩波变换电路仿真

5.1.6Zeta斩波变换电路仿真

5.2隔离型直流变换电路仿真

5.2.1正激变换电路仿真

5.2.2反激变换电路仿真

5.2.3半桥变换电路仿真

5.2.4全桥变换电路仿真

5.2.5推挽变换电路仿真

5.3闭环直流变换电路仿真

5.3.1单环Buck变换电路仿真

5.3.2双环Buck变换电路仿真

5.3.3单环Boost变换电路仿真

5.3.4双环Boost变换电路仿真

5.3.5电压控制正激变换电路仿真

5.3.6电压控制推挽变换电路仿真

5.3.7峰值电流控制Buck变换电路仿真

5.3.8V2控制Buck变换电路仿真

5.3.9谷值电流控制Buck变换电路仿真

5.3.10电压跟随控制Buck变换电路仿真

5.4本章小结

第6章逆变变换电路仿真

6.1有源逆变电路仿真

6.1.1单相桥式有源逆变电路仿真

6.1.2三相桥式有源逆变电路仿真

6.2电压型无源逆变电路仿真

6.2.1单相电压型逆变电路仿真

6.2.2三相电压型桥式逆变电路仿真

6.3SPWM电压型无源逆变电路仿真

6.3.1单极性SPWM单相桥式无源逆变电路仿真

6.3.2双极性SPWM单相桥式无源逆变电路仿真

6.3.3双极性SPWM三相桥式无源逆变电路仿真

6.4闭环控制无源逆变电路仿真

6.4.1滞环跟随控制单相桥式无源逆变电路仿真

6.4.2PI控制单相桥式无源逆变电路仿真

6.4.3滞环跟随控制三相桥式无源逆变电路仿真

6.4.4PI控制三相桥式无源逆变电路仿真

6.5本章小结

第7章交交变换电路仿真

7.1交流调压电路仿真

7.1.1单相交流调压电路仿真

7.1.2后沿固定单相交流调压电路仿真

7.1.3三相交流调压电路仿真

7.2单相斩控式交流调压电路仿真

7.3单相交交变频电路仿真

7.4本章小结

第8章SmartCtrl开关电源环路设计

8.1SmartCtrl概述

8.2SmartCtrl设计环境

8.2.1SmartCtrl启动

8.2.2SmartCtrl主程序窗口界面

8.3SmartCtrl中DC/DC变换器设计

8.3.1单环控制变换器设计

8.3.2双环控制变换器设计

8.3.3变换器对象设计

8.3.4传感器设计

8.3.5补偿调节器设计

8.4SmartCtrl环路设计示例

8.4.1控制环路设计

8.4.2PSIM仿真验证

8.5本章小结

第9章SimCoder自动代码生成

9.1代码生成元件概述

9.2特殊代码生成元件

9.2.1参数文件元件

9.2.2锯齿波电压源元件

9.2.3全局变量元件

9.2.4中断元件

9.3事件控制代码生成元件

9.3.1事件基本概念

9.3.2事件状态创建

9.3.3事件子电路限制

9.4TI F28335 Target代码生成元件

9.4.1DSP硬件板配置

9.4.2DSP时钟配置

9.4.3数字输入/输出元件

9.4.4A/D转换元件

9.4.5串行通信SCI元件

9.4.6递增/递减计数器

9.4.7PWM发生器

9.4.8启动/停止PWM

9.4.9触发区和触发区状态

9.4.10DSP示波器

9.5目标硬件系统代码生成

9.5.1连续时域系统设计

9.5.2离散域系统设计

9.5.3目标硬件代码生成

9.5.4事件控制目标硬件代码生成

9.5.5代码生成项目设置

9.6子系统代码生成

9.6.1不带硬件子系统代码生成

9.6.2目标硬件子系统代码生成

9.7本章小结

第10章基于SimCoder的DSP数控直流电源设计

10.1数控直流电源系统结构

10.2DSP数控降压型直流电源硬件概述

10.2.1功率变换电路

10.2.2电压测量电路

10.2.3电流测量电路

10.2.4过流保护电路

10.2.5开关管驱动电路

10.2.6DSP控制器电路

10.3DSP程控开环降压电源设计

10.3.1模拟控制电路模型设计

10.3.2硬件化控制环路设计

10.3.3CCS工程创建及编译运行

10.4电压反馈控制降压电源设计

10.4.1环路控制补偿器设计

10.4.2模拟控制电路模型设计

10.4.3硬件化控制环路设计

10.4.4CCS工程创建及编译运行

10.5双环反馈控制降压电源设计

10.5.1环路控制补偿器设计

10.5.2模拟控制电路模型设计

10.5.3硬件化控制环路设计

10.5.4CCS工程创建及编译运行

10.6本章小结

附录A部分演示视频

参考文献