基于MATLAB的电力电子虚拟实验开发

目录

1 引言 (3)

2 电力电子仿真软件 (6)

2.1 OrCAD/Pspice软件 (6)

2.2 EMTP/EMTDC/PSCAD软件 (7)

2.3 PLECS仿真软件 (8)

2.4 MATLAB/Simulink/PSB仿真软件 (9)

2.4.1 MATLAB/Simulink模块库 (10)

2.4.2 MATLAB/SimPowerSystems模块库 (11)

3 电力电子建模仿真技术 (12)

3.1 电力电子器件仿真 (12)

3.1.1 工艺模型 (12)

3.1.2 物理模型 (13)

3.1.3 电学模型 (14)

3.2 电力电子电路仿真 (15)

3.2.1 电力电子电路的非线性 (15)

3.2.2 电力电子装置的混合性 (16)

3.2.3 装置模型的病态 (16)

3.2.4 器件模型的适用性 (17)

3.2.5 建模 (18)

3.3 电力电子系统仿真 (19)

4 电力电子器件仿真 (20)

4.1 不可控型器件仿真 (20)

4.1.1 电力二极管的基本特性 (20)

4.1.2 电力二极管的仿真模型 (20)

4.1.3 电力二极管的仿真实例 (22)

4.2 半控型器件仿真 (25)

4.2.1 晶闸管的工作原理 (25)

4.2.2 晶闸管的伏安特性 (26)

4.2.3 晶闸管的仿真模型 (26)

4.2.4 晶闸管仿真实例 (30)

4.3 全控型器件仿真 (33)

4.3.1 可关断晶闸管 (33)

4.3.2 绝缘栅双极型晶体管 (40)

5 AC-DC变流电路仿真 (48)

5.1 单相桥式全控整流电路仿真 (48)

5.2 三相桥式全控整流电路仿真 (51)

6 DC-DC变流电路仿真 (56)

6.1 直流降压斩波电路仿真 (56)

6.2 直流升压斩波电路仿真 (59)

6.3 Buck-Boost降压-升压斩波电路仿真 (61)

7 AC-AC变流电路仿真 (64)

7.1 单相交流调压电路仿真 (64)

7.1.1 相位控制 (65)

7.1.2 通断控制 (67)

7.1.3 PWM斩波控制 (70)

7.2 相控式三相交流调压电路仿真 (75)

7.3 单相交-直-交变频电路仿真 (78)

8 DC-AC变流电路仿真 (82)

8.1 电压型单相SPWM半桥逆变器仿真 (82)

8.2 电压型三相SPWM逆变器电路仿真 (84)

9 电力电子系统仿真 (87)

9.1 通用变频器电路仿真 (87)

9.2 基于超导的直流输电系统仿真 (89)

9.2.1 超导模型设计 (90)

9.2.2 基于超导的直流输电系统仿真 (90)

9.2.3 仿真结果分析 (93)

结论 (95)

致谢

参考文献

1 引言

在科学研究和生产实践活动中，为了研究、分析、设计和实现一个系统，常常需要进行试验。试验的方法基本上可以分为两大类：一种是直接在真实系统上进行；另一种是先构造模型，通过对模型的试验来代替或部分代替对真实系统的试验。传统上大多采用第一种方法，随着科学技术的发展，尽管第一种方法在某些情况下仍然是必不可少的，但第二种方法日益成为人们更为常用的方法，主要原因在于：

（1）系统还处于设计阶段，真实的系统尚未建立，人们需要更准确地了解未来系统的性能，这只能通过对模型的试验来了解；

（2）在真实系统上进行试验可能会引起系统破坏或发生故障，例如，对一个处于运行状态的化工系统或电力系统进行没有把握的试验将会冒巨大的风险；

（3）需要进行多次试验时，难以保证每次试验的条件相同，因而无法准确判断试验结果的优劣；

（4）试验时间太长或费用昂贵。

（5）实际系统受各种客观条件限制，难以按预期的要求改变参数，得不到所需的实验条件。

因此在模型上进行试验日益为人们所青睐，建模技术也就随之发展起来。

模型一般分为物理模型和数学模型。物理模型与实际系统有相似的物理性质。是按一定比例缩小（或放大）了的实物外形，如沙盘模型、风洞试验中的飞行器外形和船体外形，或是生产过程中试制的样机模型，如导弹上的陀螺等。数学模型是用抽象的数学方程描述系统内部物理变量之间的关系，通过对系统的数学模型的研究可以揭示系统的内在运动和系统的动态性能。数学模型可以分为机理模型（演绎方法推理）、统计模型（归纳法估计）、混合模型，也可以分为静态模型和动态模型两类。

仿真，就是在模型上进行试验。根据模型的不同，仿真可以分为三种：物理仿真、数学仿真和半实物仿真（物理-数学混合仿真）。物理仿真是按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验。物理仿真的优点是直观、形象。物理仿真的缺点是模型改变困难，实验限制多，投资较大。在计算机问世以前，基本上是物理仿真。数学仿真是对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对数学模型进行试验。计算机技术的发展为数学仿真创造了环境，使得数学仿真变得方便、灵活、经济。数学仿真的缺点是受限于系统建模技术，即系统的数学模型不易建立。半实物仿真是将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行试验，对系统中比较简单的部分或对其规律比较清楚的部分建立数学模型，并在计算机上加以实现；而对比较复杂的部分或对其规律尚不十分清楚的系统，其数学模型的建立比较困难，则采用物理模型或实物，仿真时将两者连接起来完成整个系统的实验。

计算机仿真技术具有安全性、经济性、可重复性等优点，它不受环境限制，可以缩短研究开发周期，提高生产效率。

电力电子技术的计算机仿真具有十分重要的意义。