第六章 电力电子技术Matlab仿真 基本内容 电力电子典型器件的Matlab仿真 电力电子典型电路的Matlab仿真

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1 第六章 电力电子技术Matlab仿真 基本内容 电力电子典型器件的Matlab仿真 电力电子典型电路的Matlab仿真
1 电力电子典型器件的Matlab仿真 2 电力电子典型电路的Matlab仿真 电力电子典型系统的仿真 3

2 1.电力电子典型器件的Matlab仿真 每一个具体的电力电子电路均是由元器件组成的，这些元器件既包括各种线性器件如电容、电感、电阻等，也包括各种非线性器件如二极管、晶体管、SCR、MOSFET、IGBT、MCT等。 Matlab使用的电力电子器件模型是简化的宏模型，它只要求器件的外特性与实际器件特性基本相符，而没有考虑器件内部的细微结构。 本节主要讨论功率电力二极管在Matlab中的仿真实现过程。

3 1.电力电子典型器件的Matlab仿真 电力二极管的仿真 1．电力二极管元件的基本特性
电力二极管是一种具有单向导电性的半导体器件，即正向导通、反向阻断，它属于不可控器件。 电力二极管的伏安特性主要是指其静特性 电力二极管的伏安特性曲线

4 1.电力电子典型器件的Matlab仿真 2．电力二极管元件的Matlab仿真模型 电力二极管的仿真原理模型如图
其模型由一个电阻Ron、一个电感Lon、一个直流电压源Vf和一个开关串联组成。开关受电压Vak与电流Iak逻辑信号控制。 电力二极管的仿真原理模型 电力二极管仿真模型 在SimPower Systems工具箱的Power Electronic库中，名称为Diode 它有一个输入(a)和两个输出（k、m），分别对应电力二极管的阳极端子、阴极端子和测量信号端子 电力二极管仿真模型

5 1.电力电子典型器件的Matlab仿真 3．电力二极管元件仿真模型的参数设置 打开电力二极管模型的参数设置对话框 Snubber resistance Rs（Ohms）：缓冲电阻，单位为Ω。为了在模型中消除缓冲，可将Rs参数设置为inf； Snubber capacitance Cs（F）： 缓冲电容，单位为F。为了在模型中消除缓冲，可将Cs参数设置为0；为了得到纯电阻Rs，可将电容Cs参数设置为inf。 Resistance Ron（Ohms）：电力二极管元件内电阻，单位为Ω。当电感参数设置为0时，内电阻不能为0； Inductance Lon（H）：电力二极管元件内电感，单位为H。当电阻参数设置为0时，内电感Lon不能为0； Forward voltage Vf（V）：电力二极管元件正向压降，单位为V； Initial current Ic（A）：初始电流，单位为A。初始值的设置是一个复杂的工作，通常将Ic设为0； 另外，在仿真含有电力二极管的电路时，必须使用刚性积分算法。通常可使用ode23tb或者ode15s算法，以获得较快的仿真速度。

6 1.电力电子典型器件的Matlab仿真 4．电力二极管元件的仿真实例 下面以单相半波整流器为例，说明电力二极管元件应用系统的建模与仿真方法。
1）电力二极管单相半波整流器的建模步骤如下： ① 建立一个新的模型窗口，命名为Diode（文件名在符合语法的情况下可任意命名）； ② 打开Power Electronics模块组，复制一个电力二极管模块（Diode）到Diode模型中，并打开二极管参数对话框，进行参数设置； ③ 打开Electrical Sources模块组，复制一个交流电压源模块（AC Voltage Source）到Diode模型中，并打开参数设置对话框，进行参数设置：交流电压源模块峰值设为220V，频率设为50Hz； ④ 打开Elements模块组，复制一个串联RLC分支模块（Series RLC Branch）和接地模块（Ground）到Diode模型中，打开RLC分支模块参数设置对话框，进行参数设置。其中，R=1Ω；L=10mH，C=inf； ⑤ 打开measurements模块组，分别复制一个电流测量模块（Current Measurement）和电压测量模块（Voltage Measurement）到Diode模型中，用于测量二极管的电流和负载的电压； ⑥ 打开Sinks模块组，复制一个示波器模块（Scope）到Diode模型中，按要求设置参数； ⑦ 打开Commonly Used Blocks模块组，复制一个信号分解模块（Demux）到Diode模型中； ⑧ 正确连接后得到电力二极管单相半波整流器仿真模型如图所示。

7 1.电力电子典型器件的Matlab仿真 电力二极管单相半波整流器仿真模型

8 1.电力电子典型器件的Matlab仿真 2）电力二极管单相半波整流器的仿真
打开仿真窗口，选择ode23tb或者ode15s算法，相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.06s。 仿真结果如图所示： 图中Iak和Vak分别为电力二极管的电流和电压，Iload和Vload分别为负载的电流和电压。

9 2.电力电子典型电路的Matlab仿真 所谓电力电子电路，就是以满足用电要求为目标，以电力半导体器件为核心，通过合理的电路拓扑和控制方式，采用相关技术对电能实现变换和控制的装置。电力电子电路的种类很多，一般可以分为四类：DC/DC电路、DC/AC电路、AC/DC电路和AC/AC电路。 对电路进行仿真的目的是研究其基本组成部分之间的相互关系及其自身的开环动、静态特性。仿真的重点在于作为一个整体的装置的响应过程，对作为其组成部分的器件在开关瞬间的动态过程的分析则置于次要地位。

10 2.电力电子典型电路的Matlab仿真 Buck变换器的仿真 1．Buck变换电路的工作原理 电流连续时的波形 电流断续时的波形

11 2.电力电子典型电路的Matlab仿真 2．Buck变换电路的建模步骤如下： 1）仿真模型的命名，建立一个新的模型窗口，命名为“Buck”。
2）打开Power Electronics模块组，分别复制IGBT模块和Diode模块到“Buck”模型中，按要求进行参数设置。可保持默认值。 3）打开Electrical Sources模块组，复制一个DC Voltage Source模块到“Buck”模型中，打开参数设置对话框，电压设为100V，并重新命名为“U”。 4）打开Elements模块组，复制2个Series RLC Branch到“Buck”模型中，一个作为负载，参数设为R=5Ω，L=0，C=inf；滤波电容值为C=0.5e-6F，另一个串联在IGBT模块和负载之间，作为滤波电感，参数设置为R=0Ω，L=0.15mH，C=inf。 5）打开Measurements模块组，分别复制2个电流测量模块和1个电压测量模块到“Buck”模型中，2个电流测量模块分别用于测量IGBT电流和Diode电流；2个电压测量模块分别用于测量二极管电压和负载电压。 6）打开Sources模块组，复制一个Pulse Generator模块到“Buck”模型中，打开参数设置对话框，参数设置为：脉冲发生周期T=0.1ms，脉冲宽度为50%，其余参数取默认值。 7）打开Sinks模块组，复制一个Scope模块到“Buck”模型中，参数设置参见上节。进行电气连接，可得Buck变换电路仿真模型，如图所示。

12 2.电力电子典型电路的Matlab仿真 3．Buck变换电路的仿真
打开仿真窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.002s,IGBT的开关频率为10Kz，占空比为0.5。 仿真结果所示: 其中，iIGBT和iDiode分别为通过IGBT和Diode的电流，iLoad和VLoad分别为负载两端电流和电压。 从图中可以看出，在IGBT关断时，电感电流经负载电阻、二极管形成环路，使电阻两端电压波形连续，但电压的波动很大。此外，原来直流电压为100V，经过降压变换器直流变换后，电压降低到约50V，实现了降压变换。

13 3 电力电子典型系统的仿真 所谓电力电子系统，即由电力电子装置和负载组成的闭环控制系统。
一个典型的电力电子系统按照系统各部分间输入输出耦合关系，可以分为三个功能模块单元，即： 由电力电子器件构成的主电力电子电路单元； 由电动机或其他机电设备构成的负载单元； 以及由模拟电路或数字电路构成的控制电路单元。 其基本组成如图6-78所示。 图6-78电力电子装置及其控制系统

14 3 电力电子典型系统的仿真 对这样一个复杂的非线性数模混合系统，其各个部分往往又遵循不同的物理法则，从而给设计和分析带来巨大的困难，使得事先建立一个实际模型来了解其运行特性是很困难的。 利用计算机仿真技术建立适当而精确的电路模型，通过仿真实验对所生成的各类信息进行识别、分析、传递、变换等一系列信息处理，以获得对系统动静态特性认识的新信息，从而可以分析、研究利用该系统，或进一步改善该系统，获得满足性能指标要求的最优控制系统。

15 3 电力电子典型系统的仿真 这里以Buck变换电路为例，介绍直流斩波电路控制系统的仿真方法。 1．Buck变换电路控制系统的基本原理

16 3 电力电子典型系统的仿真 为克服单环系统在控制和调节作用上的延迟，在电压反馈的基础上引入电流反馈实现双环控制，可获得较好的动态性能。
电流控制环是由开关变换器、电流采样器I/V、电流控制器和开关控制器等组成，图6-80 所示为双环开关调节系统框图。 电流控制环是内环，实现电流自动调节；电压控制环是外环，实现电压自动调节。 图6-80 Buck变换器的双环开关调节系统

17 3 电力电子典型系统的仿真 2．Buck变换电路控制系统的建模
1）仿真模型的命名 建立一个新的模型窗口，命名为“Buck_Control”。 2）主电路建模及参数设置 主电路由直流电源、全控器件IGBT、续流二极管、输出滤波电感及负载组成。R=50 ,L=2e-3H，C=2e-6F。

18 3 电力电子典型系统的仿真 3）控制回路建模及参数设置
控制系统采用电压、电流双闭环结构。为了使系统响应时间比较短，并尽可能减小误差，外环电压控制器选用PI控制器。其仿真模型及封装后的子系统符号分别如图6-81 a、b所示。 a） b） 图6-81 电压控制环节模块 这里Kp和Ki分别为比例和积分常数，选用Simulink中Math Operations模块组中Gain模块，其值分别设为1.6和16；积分模块选用Simulink中Continuous模块组中Integrator模块；为了限幅，采用饱和控制模块，该模块位于Simulink\Discontinuities模块组中，限幅值取为2.5。  

19 3 电力电子典型系统的仿真 电流内环采用电流比较脉冲产生环节，即把电压控制器输出的电流与反馈电流进行比较产生脉冲信号输出，用于控制全控器件IGBT，本例中滞环宽度设为2.5。其仿真模型及封装后的子系统符号分别如图6-82a、b所示。 a） b） 图6-82 电流控制环节模块

20 3 电力电子典型系统的仿真 4）其它模块的建模和参数设置
系统仿真中用到的其它模块还有电压给定值模块、电压、电流测量模块和输出模块等，其建模和参数设置方法见上节相关内容，不再赘述。 最后，把各个模块连接起来就得到了整个系统的仿真模型，如图6-83所示。 图6-83 Buck变换电路控制系统的建模

21 3 电力电子典型系统的仿真 2．Buck变换电路控制系统的仿真
打开仿真窗口，选择ode23tb算法，相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.01s。 仿真结果如图6-84所示，图中iLoad和VLoad分别为负载两端电流和电压。 由图可知，当0.005s电压给定值由30V阶跃到60V时，输出电压实现了给定值跟踪。 图6-84电压给定值阶跃变化仿真结果