MATLAB在电力电子中的应用

绪论 (2)第一章 MATLAB简介 (3)1.1 MATLAB电力工具箱简介 (3)1.2 MATLAB集成环境 (3)1.3 SIMLINK 仿真基础 (4)第二章基于MATLAB的晶闸管单相交流调压电路仿真 (4)2.1 电压电流分析 (4)2.2 谐波分析 (6)第三章单相交流调压电路参数设置 (7)3.1 单相交流调压电路介绍 (7)3.2 单相交流调压电流电路仿真模型建立 (8)3.3 模型仿真参数设置 (8)第四章单相交流电路仿真 (12)4.1 当α=30°时模型的仿真 (12)4.2 当α=60°时模型的仿真 (14)4.3 当α=90°时模型的仿真 (16)4.4 当α=120°时模型的仿真 (17)4.5 当α=150°时模型的仿真 (19)4.6 仿真结果分析 (20)第五章 MATLAB在电力系统中应用学 (20)参考文献 (21)摘要：MATLAB是由美国的Clever Moler博士于1980年开发的，初衷是为解决“线性代数”课程的矩阵运算问题。

后来又被MathWorks公司商业化，用于算法开发、数据分析及数值计算等，主要包括MATLAB和Simulink两部分。

MATLAB是Matrix Laboratory 的简称，发展迅速。

目前，MATLAB 已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的 MATLAB 已经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言，有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。

MATLAB作为一种高效的科学及工程计算语言，它可以将计算过程、可视化以及编程等功能集于一体，为我们方便地服务。

迄今为止，MATLAB已经广泛应用在数学分析、计算、自动控制、系统仿真、数字信号处理、图像处理、数理统计、通信工程、金融系统和电力系统分析等领域，而且越来越受到使用者的喜爱，为我们的工作创造了很大的便利。

第一章 MATLAB简介1.1 MATLAB电力工具箱简介MATLAB在电力系统建模和仿真的过程主要由电力系统仿真模块（SimPowerSystemBlockset简称为PSB模块）来完成。

PSB模块主要包括电源模块库（Electrical Source）、电器元件库（ Elements）、电机模块库（ Machines）、电力电子模块库（Power Electronics）、测量模块库（Measurements）、相量元素模块（Phasor Elements）等。

这些总的模块又各自包括很多对应的元器件，我们将这些元器件拖拽到“模型编辑窗口”之后，通过我们构建的模型进行连线，做完准备工作后我们就可以进行整个系统的仿真。

电力电子技术综合了电子电路、电机拖动、计算机控制等多学科知识，是一门实践性和应用形很强的课程。

由于电力电子器件自身的开关非线性，给电力电子电路的分析带来了一定的复杂性和困难，一般常用波形分析的方法来研究。

仿真技术为电力电子电路的分析提供了崭新的方法。

我们在电力电子技术课程的教学中引入了仿真，对于加深学生对这门课程的理解起到了良好的作用。

掌握了仿真的方法，学生的想法可以通过仿真来验证，对培养学生的创新能力很有意义，并且可以调动学生的积极性。

实验实训是本课程的重要组成部分，学校的实验实训条件毕竟是有限的，也受到学时的限制。

而仿真实训不受时间、空间和物质条件的限制，学生可以在课外自行上机。

仿真在促进教学改革、加强学生能力培养方面起到了积极的推动作用。

1.2 MATLAB集成环境安装完MA TLAB之后，一般有两种方法可以启动它，可以单击开始→程序→MATLAB →MA TLAB 7.10.0，也可以直接双击桌面上的MATLAB图标。

下面是进入后的MATLAB 界面, 即MA TLAB命令窗口。

注意,首次进入时,MA TLAB可能打开了多个窗口,这是关闭其它窗口后退出MA TLAB，然后重新进入MA TLAB的显示画面。

如下图 1.1所示，即为MATLAB集成环境的界面。

图1.1 MA TLAB集成环境1.3 SIMLINK 仿真基础SIMLINK 是MATLAB软件的扩展，它是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于Windows的模型化图形输入，其结果是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上。

所谓模型化图形输入是指SIMULINK提供了一些按功能分类的基本的系统模块，用户只需要知道这些模块的输入输出及模块的功能，而不必考察模块内部是如何实现的，通过对这些基本模块的调用，再将它们连接起来就可以构成所需要的系统模型（以.mdl文件进行存取），进而进行仿真与分析。

我们在SIMLINK中建立仿真模型，然后对模型中的参数进行设置，点击simulation中的Configuration Parameters，对其进行仿真参数的设置。

参数设置界面如下图1.2所示。

图1.2 仿真参数的设置第二章基于MATLAB的晶闸管单相交流调压电路仿真2.1 电压电流分析带阻感负载的单项调压电路的阻抗角φ=arctan(wL/R).如果用导线把晶体管完全短接,稳态时负载电路应是正弦波,其相位滞后于电源电压u1的角度为φ。

在用晶体管控制时由于只能通过触发延迟角推迟晶体管的导通，所以晶体管的触发脉冲应在电流过零之后,而无法使其超前。

把α=0时刻仍定在电压过零时刻，显然，阻感负载下α的异响范围为φ≤α≤∏。

由晶闸管组成的交流电压控制电路，以方便地调节输出电压的有效值，结构简单、成本低廉。

图2.1示出R—L负载的单相交流调压电路及其电压电流波形，该电路用2套触发装置触图2.1R—L负载单相交流调压电路及其电压电流波形2个晶闸管，负载阻抗φ=arctan(wL/R).)。

当移相角α>φ刚io 既不连续，义非正弦。

当“α=φ”时，负载电流成为完全的正弦波。

当“α<φ”时，分2种情况：①晶闸管门极用窄脉冲触发，若先触发vTl 且“α<φ，则vL 导通角θ>∏"，如果触发脉冲的宽度<α+θ一(∏+a)= θ-∏”，则当vTl 的电流下降到零时，vT2的门极脉冲已经消失而无法导通，这样输出电流将如同半波整流，变成直流。

②晶闸管门极用宽脉冲或脉冲列触发：则经过一段时间的过渡过程后，电路达到稳定状态，也即使电路工作在“α=φ”时的状态。

负载电压有效值：)()sinwt 2(14.31210wt d U U ϑαα+⎰= 晶闸管电流有效值ϕϑϕαϑϑcos )2cos(sin 14.3*21++-=ZU U VT 负载电流有效值为VT D I I 2-。

2.2谐波分析电流只含3、5、7···等次谐波，陋次数的增加，谐波含量减少；和电阻负载时相比，阻感负载时的谐波电流含鼍少一些；“α角相同时，随φ的增大，谐波含量有所减少。

φ=O 时谐渡变化曲线见图2.2。

图表 1 φ=0时谐波变化曲线第三章 单相交流调压电路仿真模型建立及参数设置3.1 单相交流调压电路介绍对单相交流电的电压进行调节的电路。

用在电热控制、交流电动机速度控制、灯光控制和交流稳压器等场合。

与自耦变压器调压方法相比，交流调压电路控制方便，调节速度快，装置的重量轻、体积小，有色金属消耗也少。

交流调压电路的一般结构如图3.1（a）所示。

按一定的规律控制交流开关S1的通断，即可控制输出的负载电压u0。

按单相交流调压电路的控制方式有周波控制调压、相位控制调压和斩波控制调压。

采用前两种控制方式的单相交流调压电路如图1b所示。

图1c所示。

是斩波控制的单相交流调压电路，图中的双向开关S2是续流开关。

周波控制调压适用于负载热时间常数较大的电热控制系统。

控制图2.3(b)所示。

中晶闸管导通时间与关断时间之比，使交流开关在某几个周波连续导通，某几个周波连续关断，如此反复循环地运行，其输出电压的波形如图2所示。

改变导通的周波数和控制周期的周波数之比即可改变输出电压。

为了提高输出电压的分辨率，必须增加控制周期的周波数。

为了减少对周围通信设备的干扰，晶闸管在电源电压过零时开始导通。

在负载容量很大时，开关的通断将引起对电网的冲击，产生由控制周期决定的分数次谐波，这些分数次谐波引起电网电压闪变。

这是其缺陷。

利用控制触发滞后角α的方法,控制输出电压。

晶闸管承受正向电压开始到触发点之间的电角度称为触发滞后角α。

在有效移相范围内改变触发滞后角，即能改变输出电压。

有效移相范围随负载功率因数不同而不同，电阻性负载最大,纯感性负载最小。

图3是阻性负载时相控方式的交流调压电路的输出电压波形。

相控交流调压电路输出电压包含较多的谐波分量，当负载是电动机时，会使电动机产生脉动转矩和附加谐波损耗。

另外它还会引起电源电压畸变。

为减少对电源和负载的谐波影响，可在电源侧和负载侧分别加滤波网络。

使开关在一个电源周期中多次通断，将输入电压切成几个小段，用改变小段的宽度或开关通断的周期来调节输出电压。

斩控调压电路输出电压的质量较高,对电源的影响也较小。

图4是斩波控制的交流调压电路的输出电压波形。

在斩波控制的交流调压电路中，为了在感性负载下提供续流通路，除了串联的双向开关S1外，还须与负载并联一只双向开关S2。

当开关S1导通，S2关断时，输出电压等于输入电压；开关S1关断，S2导通时,输出电压为零。

控制开关导通时间与关断时间之比即能控制交流调压器的输出电压。

开关S1、S2动作的频率称斩波频率。

斩波频率越高,输出电压中的谐波电压频率越高,滤波较容易。

当斩波频率不是输入电源频率的整数倍时，输出电压中会产生分数次谐波。

当斩波频率较低时，分数次谐波较大，对负载产生恶劣的影响。

将斩波信号与电源电压锁相，可消除分数次谐波。

斩波控制的交流调压电路的功率开关元件必须采用功率晶体管或其他自关断元件，所以成本较高。

图3.1 单相交流调压电路3.2 单相交流调压电路仿真模型建立用simulink的建模如图3.2所示，品闸管模块并联r阻容缓冲电路(具体参数为): R=1, L=0.002 , 计算的φ=32度. R1=0.001, lon=0, Vf=0.8, Io=0, Rs=10. Cs=4e-6,电源电压：交流图3.2 单相交流调压模型如上图3.2所示即为单相交流调压电流，在该调压电路的模型中，我们用到的模块有交流电压源（AC Voltage Source）、脉冲信号发生器（PulseGenerator）、晶闸管（Thyristor）、电流测量模块（Current Measurement）、电压测量模块（Voltage Measurement）、示波器（Scope）等。