基于SIMULINK的电力电子系统仿真研究论文.docx

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基于SIMULINK的电力电子系统仿真研究论文

本科毕业设计

（2008届）

题目

基于SIMULINK的电力电子系统仿真研究

学院

信息科学与工程学院

专业

电气工程及其自动化

班级

学号

学生姓名

指导教师

完成日期

2014年6月18日

基于SIMULINK的电力电子系统仿真研究

【摘要】

针对电力电子电路，使用MATLAB/SIMULINK进行了仿真。

包括三相交流桥式整流电路、斩波电路、逆变电路、基于SPWM的交流电机调速控制系统和AC-DC-ACPWM变换器。

首先介绍各个元器件的使用和它在电路中作用，并了解整个电路的工作原理，在此基础上，通过MATLAB/SIMULINK软件来建立各电路的仿真模型，并且对各个模块和系统内部的参数进行设置，例如仿真算法、电子器件的选择和电源幅值和频率等，最终实现电力电子系统在MATLAB中的仿真。

仿真结果和理论分析结果相一致，验证了仿真建模的有效性和正确性。

【关键词】

电力电子，MATLAB，仿真，模型,调速

SimulationofPowerElectronicsSystemBasedonMATLAB/SIMULINK

【Abstract】

Inthelightofpowerelectronicscircuit,usedMATLAB/SIMULINKtocarryonthesimulation.Includingthree-phaseFull-Bridgecontrolledrectifier,choppingcircuit,invertercircuit,alternating-currentmachinespeedregulatingbasedonSPWMandAC-DC-ACPWMinverter.Firstintroducedeachcomponenttheuseanditaffectedintheelectriccircuit,andunderstoodthewholecircuittheory,inthisfoundation,establishedvariouselectriccircuitsthroughMATLAB/SIMULINKsoftwarethesimulationmodel,andsettheestablishmenttoeachmoduleandtheinteriorparameterofsystem,forexamplesimulationalgorithm,electronicdevicechoiceandelectricalsourcepeak-to-peakvalueandfrequencyandsoon,finallyrealizedsimulationthattheelectricpowerelectronicsalternating-currentcircuitinMATLAB.Simulationresultandtheoreticalanalysisresultconsistent,hasconfirmedthesimulationmodellingvalidityandtheaccuracy.

【KeyWords】

PowerElectronics,MATLAB,Simulation,Model,SpeedRegulating

目录

第一章绪论1

1.1选题的背景与意义1

1.2国内外电力电子技术的现状1

1.2.1国外电力电子技术发展的状况1

1.2.2国内电力电子技术发展的状况2

1.3计算机仿真技术的发展及应用3

1.4本论文的主要研究内容及目标4

第二章电力电子器件5

2.1电力电子器件的概述5

2.1.1电力电子器件的一般概念及作用5

2.1.2电力电子器件的分类5

2.2常用电力电子器件的SIMULINK模型6

2.2.1IGBT模块6

2.2.2晶闸管模块6

2.2.3PWM脉冲发生器模块7

第三章基于SIMULINK的常用电力电子电路建模9

3.1三相桥式整流电路9

3.2斩波电路11

3.2.1降压斩波电路11

3.2.2升压斩波电路12

3.3逆变电路14

3.3.1SPWM逆变电路14

第四章基于SIMULINK的电力电子应用系统建模16

4.1基于SPWM的交流电机调速控制系统16

4.2AC-DC-ACPWM变换器18

第五章基于MATLAB/SIMULINK的仿真研究22

5.1SIMULINK仿真条件设置22

5.2常用电力电子电路仿真结果及分析23

5.2.1三相桥式全控整流电路的仿真结果及分析23

5.2.2斩波电路的仿真结果及分析27

5.2.2.1降压斩波电路的仿真结果及分析27

5.2.2.2升压斩波电路的仿真结果及分析29

5.2.3逆变电路的仿真结果及分析30

5.3电力电子应用系统仿真结果及分析33

5.3.1基于SPWM的交流电机调速控制系统电路的仿真结果及分析33

5.3.2AC-DC-ACPWM变换器电路的仿真结果及分析36

第六章总结38

参考文献39

致谢40

第一章绪论

1.1选题的背景与意义

近几年来，随着现代社会的不断进步，世界的经济将发生巨大变革，知识经济开始替代工业经济，这对世界经济的发展将有很大推动力。

随着神舟飞船的首次载人飞行，嫦娥饶月的的实现，中国的这些高科技技术的成功，让西方国家震惊不已，谁拥有电力电子这种先进的高薪科技产品，谁就掌握竞争的优势。

但是总体说来我国当前电力电子与电力传动技术的水平落后于国际先进水平，远远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击，因此，我们必需清醒地认识到这一挑战并且要勇敢地面对。

因此电力电子交流电路模拟仿真的研究已成为我国的研究热点之一。

电力电子电路最基本的拓扑形式，近年来一些新的电路拓扑形式如谐振型逆变电路、矩阵式变频电路等不断涌现。

人们也期待着通过对电力电子电路拓扑的不断研究，发现一些更新的拓扑形式，使电力电子装置性能更为优良。

电力电子作为节能、节才、自动化、智能化、机电一体化的基础,正朝着应用技术高频化、硬件结构模块化、产品性能绿色化的方向发展。

电力电子技术的应用范围已无处不在在如交通系统和电力系统，此外，电力电子技术用于宇宙开发也正在引起人们的广泛关注。

在不远的将来,电力电子技术将使电源技术更加成熟、经济、实用,实现高效率和高品质用电相结合。

1.2国内外电力电子技术的现状

1.2.1国外电力电子技术发展的状况

自从半导体问世以来，经过几十年来的发展，电力电子技术从以低频技术处理问题为主的传统电力电子学,向以高频技术处理问题为主的现代电力电子学方向转变。

八十年代末期和九十年代初期发展起来的、以功率MOSFET和IGBT为代表的、集高频、高压和大电流于一身的功率半导体复合器件,表明传统电力电子技术已经进入现代电力电子时代。

电力电子技术发展的变换主要体现在器件上[2]，几十年来，以晶闸管为基础的可控硅整流装置使直流传动占据了传动领域的统治地位。

然而，晶闹管毕竟是一种半控型器件，只能导通，不能关断，被称为第一代半导体器件。

半控型器件在交流传动及变频调速中无法大显身手。

70年代来，陆续发明的功率晶体管（GTR）门投可关断品闸管（GTO）、功率MOS场效空管、绝缘栅极晶体管（IGBT）、静电感应晶体管（SITH）等等全控型器件，在线路中，既能控制其导通又能控制其关断，则被称为第二代电力半导体器件。

它们在结构上是把若干个（直至数十万个）具有相同功能的元胞进行并联集成，在制造上采用把晶闸管向高电压、大电流方向发展所积累起来的各种经验同微电子的微细加工方面的成就相结合的成果。

90年代，将综合这些器件的优点而研制成MOS栅控晶闸管（MCT）和场控GTO（MOSGTO）将成为国际上第三代电力电子器件。

这些器件进一步把具有不同功能的控制单元、逻辑单元、传感单元、量测单元和保护单元集成一体，既具有电路功能，又使用更为方便可靠，正受到举世瞩目。

电力电子技术是能源技术、电子技术和控制技术三大领域的交叉，其主要功能是利用大功率半导体器件及其相应的控制与保护电路实现对电能某些参量和特性（电压、电流、频率、相位、相数、波形等）的控制与交换，以实现电力的某些使用目的，并提高使用的质量与效率。

80年代以来，电力电子技术作为高新技术、基础技术和节能技术，其应用领域已经全面深入地渗透到经济、国防、科技和社会生活的各个方面。

它是当今世界发展最快、潜力巨大的产业之一，电力电子技术产业发展的成功与否，对一个国家的国民经济整体水平有着重要的影响，所以，世界各国对电力电子技术都很重视，加快了电力电子产业化的进程。

1.2.2国内电力电子技术发展的状况

不容置疑，我国国民经济的发展对电力电子应用技术具有十分巨大的需求。

为了迅速改变我国电力电子技术的落后状况，适应国际市场严峻的竞争形势，我国政府也下了很大的决心和采取了很多措施大力发展电力电子技术，电力电子技术已被列入国家“九五”科技发展规划和国家关键新技术发展计划。

到90年代，我国在某些现代电力电子技术，如软开关、功率因数校正、IGBT的应用、并联均流、智能控制、谐波治理、计算机仿真等的开发和应用方面取得了一些成就，有些研究成果已在产业部门中得到推广和应用。

但是，总的说来我国电力电子技术的水平还远远落后于国际先进水平，远跟不上我国国民经济发展的需要，特别是还面临着国外产品严重冲击的严峻形势。

国产功率器件目前主要还限于不控或半控器件（整流管和可控硅）。

大功率结型全控器件（GTO，GTR）虽有引进，但因市场和质量等原因，至今未能形成批量生产能力;场控器件（功率MOS、IGBT等和智能功率模块IPM）全靠进口。

目前国产的电力电子装置还主要局限于利用大功率整流管和硅晶闸管生产的整流电源、直流调速和可控硅静止变频装置，而反映当代电力电子装置发展方向的高技术产品在我国目前尚处于研制开发阶段。

这样一来，急需电力电子设备的一些大型企业就干脆直接从国外进口，而一般企业则因财力和企业技术水平所限，只得采用落后的技术和设备，这就严重地影响了我国电力电子技术的迅速发展和推广。

这些问题制约了产业竞争力的保持和提高，延缓了电力电子产业化的发展进程。

要加快我国电力电子技术产业化的步伐，增强其在国内外市场的竞争能力，是我们当代大学生应有的义务和责任[3]。

1.3计算机仿真技术的发展及应用

计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起来，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。

它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。

在我国，自从20世纪50年代中期以来，系统仿真技术就在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，取得了重大的成果。

自20世纪80年代初开始，随着微机的广泛应用，数字仿真技术在自动控制、电气转动、机械制造、造船、化工等工程技术领域也得到了广泛应用[1]。

近年来计算机仿真技术在电力电子技术行业得到了广泛的应用。

促进了电力电子产品研究、开发水平的提高，改善了电力电子产品的性能，缩短了产品的创新周期。

可见，电路与系统的计算机仿真在电力电子技术的应用研究和产品开发中占有重要的地位，它可以加深工程师对电路与系统工作原理的理解，加速电路的设计和理论的完善，帮助生产企业提高自身开发的水平，改善产品性能并能有效地缩短产品更新换代的周期。

目前常用的仿真软件有PSpice,Saber,Simplis和Matlab等几种。

通常把电力电子仿真软件分为两种：

即侧重于电路的仿真器和侧重于方程求解的仿真器。

PSpice和Matlab分别是两类仿真器的代表。

PSpice是较早出现的EDA软件之一，由MICROSIM公司于1985年推出。

在电路仿真方面，它的功能可以说是最为强大，在国内被普遍使用.。

PSpice最大的优点就是能够把仿真与电路原理图的设计紧密的结合在一起。

PSpice广泛应用于各种电路分析、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出，并在同一个窗口内同时显示模拟与数字电路。

无论对哪种器件哪些电路进行仿真，包括IGBT、脉宽调制电路、模/数转换、数/模转换等，都可以得到精确的仿真结果，可以满足电力电子电路动态仿真的要求。

但PSpice的仿真数据处理量庞大，仿真和处理速度慢，输出数据格式和兼容性差，这些方面也限制了PSpice的应用。

Matlab是自动控制领域应用最广泛的仿真软件。

其应用广泛的模块集合工具箱，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功能，成为广大科研人员的最值得信赖的助手和朋友。

Matlab最新版本MATLAB2007b于2007年秋节正式发布，在R2007b中（MATLAB7.4,Simulink6.6），主要更新了多个产品模块、增加了多达350个新特性、增加了对64位Windows的支持，并新推出了.net工具箱。

Matlab中的PowerSystemBolckset（PSB）含有在一定使用条件下的元件模型，包括电力系统网络元件、电机、电力电子器件、控制和测量环一相以及二相元件库等，再借助于其它模块库或工具箱，在Simulink环境下，可以进行电力系统的仿真计算，可以实现复杂的控制方法仿真，同时可以观察仿真的执行过程。

仿真结果在仿真结束时利用变量存储在Matlab的工作空间中。

PSpice和PSB仿真软件各有其应用的优势.其版本也在不断更新。

PSB适用于中等规模电路的仿真以及变/定步长仿真算法的电路仿真。

1.4本论文的主要研究内容及目标

本论文主要研究利用MATLAB/SIMULINK的强大的运算能力，对电力电子电路和系统进行仿真分析研究，主要研究内容有

1）几种主要电力电子器件的模型

2）几种常用电力电子电路的建模和仿真，包括三相桥式整流电路，升压斩波电路，降压斩波电路，SPWM逆变电路。

3）电力电子应用系统建模和仿真，包括基于SPWM的交流电机调速系统，AC-DC-ACPWM变换器。

仿真结果和理论分析结果的一致,验证了基于MATLAB的电力电子系统建模和仿真的有效性和实用性

。

第二章电力电子器件

2.1电力电子器件的概述

2.1.1电力电子器件的一般概念及作用

在电器设备或电力系统中，直接承担电能的变化或控制任务的电路被称为电路（PowerCircuit）。

电力电子器件（PowerElectronicDevice）是指可直接用于处理电能的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件[4]。

电力电子器件的主要用途是用于功率变换和智能化运动控制，基本功能主要有以下六种:

①整流——交流（AC）→直流（DC），通过整流二极管或晶闸管将定压定频交流电变换成直流电；②逆变——直流（DC）→交流（AC），通过晶闸管SCR或大功率晶体管GTR、可关断晶闸管GTO、绝缘栅晶体管IGB'I'等功率器件将直流电变换成可调电压，可调频率的交流电；③变频——交流（AC）→交流（AC）或交流（AC）→直流（DC）→交流（AC），是将一种恒压恒频交流电（工频）或直流电变换成另一种频率（CVCF）或可变频率可变电压的交流电；④斩波——直流（DC）或交流（AC）→直流（DC）或交流（AC），是将直流电或交流电切割成不同宽度的脉冲，控制脉冲的宽度和极性，可以实现直流调压和逆变，交流变频；⑤无触点开关一利用电力电子器件的开关特性，使电路接通或切断，且快速、没有电弧和声响；⑥交流调压——利用电力电子器件相位控制特性，控制功率器件的导通角改变输出电压。

电力变换技术的发展是以电力电子元器件为基础，故电力电子元器件的水平和性能的提高，必将推动电力变换技术的革命。

2.1.2电力电子器件的分类

按照电力电子器件能够被控制电路信号所控制的程度，可以将电力电子器件分为以下三类[2]：

1）通过控制信号可以控制其导通而不能控制其关断的电力电子器件被称为半控型器件，这类器件主要是指晶闸管（Thyristor）及其大部分派生器件，器件的关断完全是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。

2）通过控制信号既可以控制起导通，又可以控制其关断的电力电子器件被称为全控型器件，又称为自关断器件。

目前最常用的是绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistor——IGBT）和电力场效应晶体管（MOSFET），在处理兆瓦级大功率电能的场合，门极可关断晶体管（GTO）应用较多。

3）也有不能用控制信号来控制其通断的电力电子器件，因此也就不需要驱动电路，这就是电力二极管，又被称为不可控器件。

2.2常用电力电子器件的SIMULINK模型

2.2.1IGBT模块

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块[5]如图2-6所示。

其中g端为辑触发端，靠逻辑1触发来导通IGBT;C，E分别对应实际的工IGBT的集电极和发射极；m端为观测端。

输出可用Demux模块将流过工IGBT的电流和两端电压组成的向量分解为单个变量；通常不用时，接Terminator（电气终止）模块，以消除米连接端日警告。

另外，需要注意很多开关器件在MATLAB中等效为电流源，不能自接与电感串联;通常可将其与电阻并联，再与电感串联。

图2-6IGBT模块

在实际仿真中，IGBT模块的导通电感取nH数量级;其缓冲电阻取为无穷大，缓冲电容取为零;其电流上升时间和下降时间取为ｕs数量级。

IGBT的并联谐振电容用串联电阻、电感、电容模块来实现。

电感值设为零，电容值为理论计算的谐振电容值。

但此时电阻值若取为零则仿真时会出错。

可将电阻值设为非常小的值（如千分之一）以解决上述问题。

二极管模块的导通电感值要取得非常小。

若以上参数选择得不当。

IGBT和续流二极管中的电流会有强烈的振荡现象，严重时两端电压也会出现强烈的振荡现象。

在仿真过程中，要注意选择合适的算法，不同的算法对同一模型的计算时间及结果有时有很大差别；同时，适当减小绝对容差和相对容差（在变步长算法中）可加快仿真。

通常电力电子仿真中大量存在非线性环节，算法ode15比较适用。

2.2.2晶闸管模块

晶闸管是可控整流电路常用的整流器件，在模块库中晶闸管模型有两种，一种是较详细的模型，其模型名为detailedthyristor，可设置参数较多；另一种是简化的模型，模型名为thyristor，参数设置简单。

图2-7晶闸管模块图

晶闸管模型在晶闸管承受正向电压，而且门极有正的触发脉冲信号（g>0）时晶闸管导通。

触发脉冲的宽度要使阳极电流Iak能大于设定的晶闸管擎住电流，晶闸管才能正常导通，否则在导通过程中，如果在阳极电流还小于擎住电流时，门极信号已经为零（g=0）,则晶闸管仍要转向关断。

导通的晶闸管在阳极电流下降到零，或者晶闸管承受反向电压时晶闸管关断，但是晶闸管承受反向电压的时间应大于设置的关断时间Tq，否则，尽管门极信号为零，晶闸管还可能导通，因此关断时间是表示晶闸管内载流子复合的时间，是晶闸管阳极电流减少为零后到晶闸管能再次施加正向电压而不会误导通的一段时间间隔。

2.2.3PWM脉冲发生器模块

图2-8PWM脉冲发生器模块

图2-8是一种新的PWM脉冲发生器，它是由三角波发生器和比较器构成。

调制原理就是以三角波与输入的占空比信号（调制波）相比较，在三角波与调制波的相交点处产生脉冲的前后沿。

三角波频率可以在对话框中设置，且三角波的幅值固定为1。

调制波有两种产生方式，一种是由PWM脉冲发生器自动生产，另一种在脉冲发生器输入端有外部输入。

点击对话框的内调制信号生产栏前的方块，则选中了内调制信号生产模式，对话框出现了调制度、输出电压频率和输出电压相位三项参数设置栏。

在采用内调制信号生产模式时，调制波固定为正弦波，即SPWM调制方式，设置的调制度、输出电压频率和输出电压相位三项参数实际上是内部产生的调制正弦波的参数。

选中内调制信号生成方式后，模块的输入端就不用连接了。

当选择外部输入调制信号时，调制波的频率和相位则由外部输入的信号波决定，但是外部输入的信号波形幅值不能大于1。

第三章基于SIMULINK的常用电力电子电路建模

3.1三相桥式整流电路

目前在整流电.路中应用最为广泛的是三相桥式整流电路[2]。

如图3-1所示:

图3-1三相桥式整流电路图

将三相交流电引入上图中的a.b.c三点，整流电路的工作特点在每个时刻有两个晶闸管同时导通1个为共阴极组.1个为共阳极组.6个晶闸管的脉冲按VT1,VT2,VT3,VT4VT5,VT6的顺序.相位依次相差60度，共阴极组VT1,VT3,VT5的脉冲依次差120度.共阳极组VT4,VT2,VT6也依次差120度。

这样根据两个晶闸管的导通.相连接的两相电压差就加在了负载的两端。

三相全桥的特点：

1）负载容量较大，或要求直流电压脉动较小、易滤波时使用三相整流电路;应用最为广泛;

2）共阴极组—阴极连接在一起的3个晶闸管（VT1，VT3，VT5）;

3）共阳极组—阳极连接在一起的3个晶闸管（VT4，VT6，VT2）;

4）注意编号顺序:

1、3、5和4、6、2，一般不特别说明，均采用这样的编号顺序。

5）由于零线平均电流为零，所以可以不用零线。

对于每相二次电源来说，一个工作周期中，即有正电流，也有负电流，所以不存在直流磁化问题，提高了绕组利用率。

图3-2三相桥式全控整流电路（带电阻负载a=300时的波形）

建立如下三相桥式全控整流电路模型，电源相电压为220V，同步变压器输出线电压为15V。

观察整流器在不同负载，不同触发角时整流器输出电压、电流波形，测量其平均值，并观察整流器交流侧电流波形和分析其主要次谐波。

三相桥式全控整流电路仿真模型如图3-2所示。

图3-3三相桥式整流仿真图

当负载为纯电阻时，R=5欧，触发角α=30度时。

（1）设置模型参数如下：

1）：

电源参数设置：

三相电源的电压峰值为220V*sqrt

（2），频率为50Hz，相位分别为0°、-120°、-240°。

2）：

同步变压器参数设置：

一次绕组联结选择Delta（D11），线电压为380V，二次绕组联结选择Y，线电压为15V，其他参数可以保持默认值。

3）：

三相晶闸管整流器参数设置：

使用默认值。

4）：

RLC负载参数设置：

R的值为5欧，L的值为0，C的值为inf。

5）：

6脉冲发生器设置：

频率为50Hz，脉冲宽度取1°，选择双脉冲触发方式。

6）：

触发角设置：

给定alph设置为60°。

3.2斩波电路

直流斩波电路实验的内容包括两种最基本的斩波电路:

降压斩波电路和升压斩波电路。

3.2.1降压斩波电路

图3-4所示的是降压斩波电路的原理图。

降压斩波电路的基本原理是:

在开关V导通期间.电源E向负载供电.负载电压U0=E.负载电流i0按指数曲线上升。

在V关断期间.负载电流经极管VD续流.负载电压U0,近似为零.负载电流呈指数曲线下降。

为了使负载电流连续且脉动小通常使串接的电感L值较大。

负载电压的平均值为：

（3-1）

式中3-1，

=ton/T，称为占空比a≤1，调节a的大小即可改变输出电压的大小。

由上式可