基于MATLAB的电力电子技术仿真分析.docx

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基于MATLAB的电力电子技术仿真分析

《电力电子技术》

课程设计报告

题目：

基于MATLAB的电力电子技术

仿真分析

院（系）：

机电与自动化学院

专业班级：

电气工程及其自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

2014年1月13日至2014年1月17日

华中科技大学武昌分校

电力电子技术课程设计任务书

一、设计（调查报告/论文）题目

基于MATLAB的电力电子技术仿真分析

二、设计（调查报告/论文）主要内容

1.晶闸管的仿真模型及以单相半波整流器为例，说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法。

2.晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模与仿真。

3.绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真。

4.相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真。

三、原始资料

MATLAB仿真软件

四、要求的设计（调查/论文）成果

编写详细的设计说明书（附上本次设计心得体会）

说明书中完成相应系统模型的建模、参数设置及仿真调试，写出设计报告。

1.晶闸管的仿真模型、参数设定方法、以单相半波整流器为例说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法，记录相应波形。

2.晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模过程与仿真调试，记录波形。

3.绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型、参数设定方法、及由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真，记录波形。

4.相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真，记录波形。

以上4个类型的仿真过程中皆需包含具体电路形式，工作过程分析，在MATLAB中的建模，各组成环节的参数设置过程，仿真波形，波形分析。

五、进程安排

1.下达设计任务书，讲解设计要求、进度安排、指导时间、注意事项等，提供参考资料。

（0.5天）

2.学习并熟练MATLABSimulink/PowerSystem工具箱等相关内容（1.5天）

3.典型电力电子器件的仿真模型建模及仿真实例（0.5天）；

4.典型电力电子变换器的应用仿真。

（1天）

5.撰写课程设计报告。

（0.5天）

6.答辩。

（1天）

六、主要参考资料

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术（第五版）.北京：

机械工业出版社，2010.

[2]周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真.北京：

中国电力出版社,2005.

[3]林飞,杜欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真.北京：

中国电力出版社,2009.

[4]洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真.北京：

机械工业出版社,2010.

指导教师（签名）：

20年月日

课程设计成绩评定表

成

绩

评

定

项目

比例

得分

平时成绩（百分制记分）

30%

业务考核成绩（百分制记分）

70%

总评成绩（百分制记分）

100%

评定等级

优良中及格不及格

指导教师（签名）：

20年月日

目录

1课程设计目的…………………………………………………………………………1

2课程设计主要内容……………………………………………………………………1

3课程设计题目描述与要求……………………………………………………………1

3.1课程设计题目描述…………………………………………………………………1

3.2课程设计要求………………………………………………………………………2

4各电路的建模与仿真…………………………………………………………………2

4.1单相半波可控整流器………………………………………………………………2

4.2晶闸管三相桥式整流电路…………………………………………………………9

4.3Boost变换器………………………………………………………………………16

4.4相位控制的晶闸管单相交流调压器……………………………………………19

5课程设计总结…………………………………………………………………………22

1课程设计目的

通过电力电子计术的课程设计达到以下几个目的：

（1）培养学生文献检索的能力，特别是如何利用Internet检索需要的文献资料；

（2）培养学生综合分析问题、发现问题和解决问题的能力；

（3）培养学生运用知识的能力和工程设计的能力；

（4）提高学生课程设计报告撰写水平；

（5）提高学生通过实验测试、研究分析和完善设计的水平。

2课程设计主要内容

（1）晶闸管的仿真模型及以单相半波整流器为例，说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法。

（2）晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模与仿真。

（3）绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真。

（4）相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真。

3课程设计题目描述与要求

3.1课程设计题目描述

本次课程设计包含了六个内容的建模与仿真：

1．晶闸管的仿真模型及以单相半波整流器为例，说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法；2．晶闸管三相桥式整流系统的建模与仿真；3.可关断晶闸管的仿真模型及以可关断晶闸管元件组成的Buck变换器为例的仿真过程；4．绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型及一个由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真；5．相位控制的晶闸管单相交流调压器系统的建模与仿真；6．晶闸管三相半波有源逆变器的建模与仿真。

这六个内容基本包含了电力变换的四大类，从中能比较全面的掌握电力电子MATLAB仿真的方法。

此仿真实验主要涉及到以下四个方面，而基于MATLAB的电力电子技术仿真则是一下几个内容很好的结合。

电力电子器件：

电力电子器件是一系列固态高电压、大电流的电子器件，被控对象的设备功率很大。

按可控性可分为三类：

不控器件（二极管）、半控器件（晶闸管）、全控器件（GTR、GTO、IGBT、MOSFET等）。

电力电子技术应用：

该技术广泛应用于多种形式的电源、电力拖动控制、电网电能质量技术提高以及大功率电能传输。

MATLAB仿真：

MATLAB程序设计语言是美国MathWorks公司在20世纪80年代中期推出的搞性能数值计算软件，2005年8月该公司就推出MATLAB7.1版，现已成为线性代数、自动控制理论、数理统计、数字信号分析与处理、动态系统仿真等各种课程的基本数学工具。

电力电子技术MATLAB实践：

电力电子技术中有关电能的变换与控制过程，有各种电路原理的分析与研究、大量的计算、电能变换的波形测量、绘制与分析等，都离不开MATLAB。

首先，它的运算功能强大，应用于交流电的可控整流、直流电的有源逆变与无源逆变中存在的整流输出的平均值、有效值、与电路功率计算、控制角、导通角计算。

其次，MATLAB的SimpowerSystems实体图形化仿真模型系统，把代表晶闸管、触发器、电阻、电容、电源、电压表等实物的特有符号连接成一个整流装置电路或是一个系统，更简单方便，节省设计制作时间和成本等。

并且，交流技术讨论的电能转换与控制，需要对各种电压与电流波形进行测量、绘制与分析，MATLAB提供了功能强大且方便使用的图形函数，特别适合完成这项任务。

3.2课程设计要求

编写详细的设计说明书,说明书中完成相应系统模型的建模、参数设置及仿真调试，写出设计报告。

（1）晶闸管的仿真模型、参数设定方法、以单相半波整流器为例说明晶闸管元件应用系统的建模与仿真方法，记录相应波形。

（1）晶闸管三相桥式整流带电阻性负载时系统的建模过程与仿真调试，记录波形。

（1）绝缘栅双极型晶体管元件的仿真模型、参数设定方法、及由IGBT元件组成的Boost变换器的建模与仿真，记录波形。

（1）相位控制的晶闸管单相交流调压器带电阻性负载时系统的建模与仿真，记录波形。

以上4个类型的仿真过程中皆需包含具体电路形式，工作过程分析，在MATLAB中的建模，各组成环节的参数设置过程，仿真波形，波形分析。

4各电路的建模与仿真

4.1单相半波可控整流器

4.1.1晶闸管的仿真

⑴晶闸管模型

晶闸管是一种门极信号触发导通的半导体器件。

晶闸管有两个输入端和两个输出端，第一个输入与输出是阳极媏（a）与阴极端（k），第二个输入（g）是门极控制信号端如图4-1，当勾选“Showmeasurementport”项时便显示第二个输出端（m）如图4-2，这是晶闸管检测输出向量[IakUak]端，可连接仪表检测流经晶闸管的电流（Iak）与晶闸管的正向压降（Uak），晶闸管组件的符号和仿真模型图如图所示。

图4-1图4-2

⑵晶闸管参数及其设置

在模型结构图中，当鼠标双击模型时，则弹出晶闸管参数对话框，如下图4-3所示

图4-3

“ResistanceRon（Ohms）”：

晶闸管导通电阻Ron（Ω）。

“InductanceLon（H）”：

晶闸管元件内电感Lon（H）。

电感参数与电阻参数不能同时设为0

“ForwardvoltageVf（V）”：

晶闸管元件的正向管压降Vf（V）。

“InitialcurrentIc（A）”：

初始电流Ic（A）。

“SnubberresistanceRs（ohms）”：

缓冲电阻Rs（Ω）。

“SnubbercapacitanceCs（F）”：

缓冲电容Cs（F）。

可对Rs与Cs设置不同的数值以改变或者取消吸收电路。

“Showmeasurementport”为设置是否显示检测端（m）。

需要说明的是，含有晶闸管模型的电路仿真时，最好采用特定的算法Ode23tb与Oder15s，而当电路进行离散化处理时，晶闸管的内电感量应设为0。

4.1.2单相半波可控整流电路的仿真

⑴电路图及工作原理

单相半波可控整流电路（阻感负载）图

如上图所示，当晶闸管VT处于断态时，电路中电流Id=0，负载上的电压为0，U2全部加在VT两端，在触发角α处，触发VT使其导通，U2加于负载两端，由于电感L的存在使电流id不能突变，id从0开始增加同时L的感应电动势试图阻止id增加，这时交流电源一方面供给电阻R消耗的能量，一方面供给电感L吸收的电磁能量，到U2由正变负的过零点处处id已经处于减小的过程中，但尚未降到零，因此VT仍处于导通状态，当id减小至零，VT关断并承受反向压降，电感L延迟了VT的关断时刻使Ud波形出现负的部分。

（2）建立仿真模型

根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图，整体模型如下图所示

单相半波晶闸管可控整流电路（阻感负载）的仿真模型

仿真参数：

选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.12，如下图所示

⑶模型参数简介与设置

①交流电压源

提取路径：

Simulink\SimPoweSysten\Electrical\ACVoltageSource

“Peakamplitude”:

正弦电压峰值Um，单位V，

“Phase”：

正弦电压初相角φ,单位度，

“Frequency”：

正弦电压频率f，单位Hz，

“Sampletime”：

采样时间，单位s，

本实验参数设置为频率50Hz，电压幅值220V，其他为默认设置，如下图所示。

②晶闸管

提取路径：

Simulink\SimPoweSysten\PowerElectronics\Thyristor

设置“SnubberresistanceRs（ohms）”缓冲电阻Rs=500Ω，“SnubbercapacitanceCs（F）”：

缓冲电容Cs为无穷大inf，其他为默认设置，如下图所示。

③RLC元件

提取路径：

Simulink\SimPoweSysten\Elements\SeriesRLCBranch

设置“Resistance（Ohms）”电阻R=1Ω，

“InductanceLon（H）”电感L=5e-3H，

“capacitance（F）”电容为无穷大inf，

“measurements”测量选None。

如下图所示

④脉冲信号发生器

提取路径：

Simulink\Simlink\Source\PulseGenerator

“Amplitude”：

脉冲幅值，

“Period（secs）”：

周期（秒），

“PulseWidth（%ofPeriod”：

脉冲宽度（周期的百分数），

“Phasedelay（secs）”：

相位延迟（秒）。

振幅A=3V，周期T=0.02，占空比10%，时相延迟（1/50）x（α/360）s，如下图所示，α为移相控制角

⑤示波器

设置Numberofaxes为5，

显示5段波形，分别为脉冲电压Ug，晶闸管两端电压UVT，负载电流id，负载电压ud，电源电压U2，如下图所示。

⑷仿真结果

设置触发脉冲α分别为0°、30°、60°、90°、120°。

其产生的相应波形分别如图所示。

在波形图中第一列为脉冲电压Ug波形，第二列为晶闸管两端电压UVT波形，第三列为负载电流id波形，第四列为负载电压ud波形，第五列为电源电压U2波形。

阻感负载触发角ɑ=0°

阻感负载触发角ɑ=30°

阻感负载触发角ɑ=60°

阻感负载触发角ɑ=90°

阻感负载触发角ɑ=120°

4.2晶闸管三相桥式整流电路

⑴电路图及工作原理

以α=0°为例，6个晶闸管的导通顺序为VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6，触发脉冲为宽脉冲宽度大于60°，保证了每个时刻均有两个晶闸管导通，当VT1-VT2导通时桥臂输出电压为Uac，然后VT2-VT3导通输出电压为Ubc，VT3-VT4导通输出电压为Uba，VT4-VT5导通输出电压为Uca，VT5-VT6导通输出电压为Ucb，VT6-VT1导通输出电压为Uab。

因此输出整流电压Ud波形为线电压在正半周的包络线。

三相桥式整流电路原理图

⑵建立仿真模型

根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图，整体模型如下图所示

三相桥式全控整流系统（电阻负载）的仿真模型

仿真参数：

选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.05，

⑶模型参数简介与设置

①交流电压源

三相交流电源通过三个频率为50Hz、幅值为220V、相位两两相差120°，A相的设置如右图所示，另外两相设置为B相相位滞后A相120°，Phase设置为-120°，C相相位超前A相120°，Phase设置为120°，测量“measurements”三相都要选Voltage，以便使用万用表测量电压。

②通用桥

输入端A,B,C为三相交流的相电压输入端子，输入端g为触发脉冲输入端子，+,-为整流器输出正负极端子。

“Numberofbridgearms”：

通用整流桥臂的相数，

“SnubberresistanceRs（ohms）”：

缓冲电阻Rs（Ω），

“SnubbercapacitanceCs（F）”：

缓冲电容Cs（F），

“PowerElectronicdevice”：

电力电子器件的种类，默认晶闸管

“Ron（Ohms）”：

器件内电阻（Ω），

“Lon（H）”：

器件内电感（H），

“ForwardvoltageVf（V）”：

整流桥门槛电压（伏）.

在测量“Measurements”选“Allvoltagesandcurrents”（全部电压和电流）以便测量桥臂内晶闸管的电压和电流，其他参数为默认值.如下图所示。

③常量

三相桥式全控整流系统仿真模型要使用两个常量模块，一个提供触发角ɑ的值，一个设置为0连接同步6脉冲触发器的使能端Block，使其能正常工作。

如下图所示。

④同步6脉冲触发器

输入端alpha_deg为移相控制角给定信号，用常量模块constant输入控制角α，输入端AB,BC,CA是同步线电压输入端，输入端Block是触发器的使能端，当此端置0时，则输出脉冲，输出端Pulse是触发脉冲的输出，它是一个6维向量，即6个触发脉冲“Frequencyofsynchronisationvoltages（Hz）”：

同步电压频率（Hz）,

“Pulsewidth（degrees）”：

脉冲宽度（度）

频率设置为50Hz，脉冲用宽脉冲设置为80°，如下图所示。

⑤万用表

三相桥式全控整流系统仿真模型使用了两个万用表，其中一个万用表的参数如下图所示，选中Isw1和Usw1，点击【>>】移入右侧的对话框中，分别测量iVT1，uVT1，另一个万用表选择Usrc：

A，Usrc：

B，Usrc：

C，分别测量A,B,C三相电压。

⑥示波器

三相桥式全控整流系统仿真模型使用了两三个示波器，最主要的一个设置Numberofaxes为4，显示4段波形，分别为负载电压ud，负载电流id，脉冲信号电压Ug，A,B,C三相电压，与万用表连接的示波器，设置Numberofaxes为2，显示2段波形，分别为晶闸管VT1的电压和电流，另一个示波器设置Numberofaxes为3，显示3段波形，分别为A,B,C三相的电流。

⑦电压电流测量

由于同步6脉冲触发器的AB,BC,CA端为同步线电压输入端，而三相电源提供的是相电压所以要通过三个电压表进行转换，其他电流电压测量无需设置直接使用

⑧RLC

R=10Ω，L=0H,C=inf（无穷大）

⑷仿真结果

设置触发脉冲α=0°，负载电压ud，负载电流id，脉冲信号电压Ug，A,B,C三相电压

晶闸管VT1的电压和电流

通过A,B,C三相的电流

设置触发脉冲α分别为30°、60°、90°、110°，产生的相应波形分别如图所示，

第一列为负载电压ud波形，第二列负载电流id波形，第三列脉冲信号第四列电压Ug波形，A,B,C三相电压波形。

电阻负载触发角ɑ=30°

电阻负载触发角ɑ=60°

电阻负载触发角ɑ=90°

电阻负载触发角ɑ=110°

4.3Boost变换器

4.3.1绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的仿真

⑴绝缘栅双极型晶体管模型

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种栅极信号触发导通的全控型器件。

晶闸管模型有两个输入端和两个输出端，第一个输入与输出是集电极（C）与发射极（E），第二个输入（g）是栅极控制信号端如图①，当勾选“Showmeasurementport”项时便显示第二个输出端（m）如图②，这是IGBT检测输出向量[IakUak]端，可连接仪表检测流经IGBT的电流（Iak）与正向压降（Uak），IGBT组件的符号和仿真模型图如下图所示。

⑵绝缘栅双极型晶体管参数及其设置

在模型结构图中，当鼠标双击模型时，则弹出晶闸管参数对话框，如下图所示

由图可知，IGBT的参数设置与普通晶闸管的参数设置几乎完全相同，另有2个参数类似GTO参数设置。

“Current10%falltimeTf（s）”：

电流下降时间Tf。

“CurrenttailtimeTt（s）”：

电流拖尾时间Tt。

对于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模型的电路仿真时，同样宜采用Ode23tb与Oder15s算法。

4.3.2Boost变换器的仿真

⑴电路图及工作原理

首先假设电路中电感L的值很大，电容C值也很大。

当IGBT处于通态时，电源E向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电。

因C值很大，基本保持输出电压u0为恒值，记为U0。

设IGBT处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。

当IGBT处于断态时E和L共同向电容C充电并向负载R提供能量。

设IGBT处于断态的时间为toff，则在此期间电感L释放的能量为（U0-E）I1toff。

当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L上积蓄的能量与释放的能量相等EI1ton=（U0-E）I1toff化简为U0=T*E/toff输出电压高于电源电压

升压斩波电路（电阻负载）原理图

⑵建立仿真模型

仿真参数：

选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3

开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.004。

⑶模型参数简介与设置

①直流电压源

设置A=100V，“measurements”选None（不测量电压），如下图所示。

②脉冲信号发生器

设置振幅A=3V，周期T=0.0001，占空比40%，时相延迟0s，如下图所示。

③绝缘栅双极型晶体管（IGBT）

勾选“Showmeasurementport”项，其他为默认设置，如下图所示。

④二极管

勾选“Showmeasurementport”项，其他为默认设置，如下图所示。

⑤RLC元件

R=50Ω,L=0H，C=3e-6F，如下图所示。

⑥示波器

设置Numberofaxes为5，显示5段波形，如下图所示。

⑷仿真结果

产生的相应波形分别如图所示。

在波形图中第一列为通过电感的电流i1波形，第二列为负载电流i0波形，第三列为负载电压u0波形，第四列为IGBT电流iV波形，第五列为脉冲电压Ug波形。

4.4相位控制的晶闸管单相交流调压器

⑴电路图及工作原理

在交流电源U1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角ɑ进行控制，使得输出电压波形为正弦电压的一部分，从而实现调节输出电压的目的，负载阻抗角φ=arctan（ωL/R）,负载电压相位滞后于晶闸管输出电压相位φ，把ɑ=0°的时刻定在电源电压过零的时刻，显然阻感负载下稳态时ɑ的移相范围为φ-π。

⑵建立仿真模型

根据原理图用matalb软件画出正确的仿真电路图，整体模型如下图所示。

仿真参数：

选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3,开始仿真时间设置为0，停止仿真时间设置为0.12。

⑶模型参数设置

①交流电压源

参数设置为频率50Hz，电压幅值220V,“measurements”测量选“Voltage”，其他为默认设置，如下图所示。

②脉冲信号发生器

振幅A=1.1V，周期T=0.02，占空比0.001，时相延迟（1/50）x（α/360）其他为默认设置，α为移相控制角两个脉冲信号发生器相位相差180°,如下图所示。

③晶闸管

不勾选“Showmeasurementport”其他均为默认设置。

④RLC元件

R=1Ω，H=0，C=inf。

⑤示波器

设置Numberofaxes为5，显示5段波形，如下图所示

⑷仿真结果

设置Pulse1触发脉冲角α1分别为6