基于Matlab Simulink的电力电子系统的建模与仿真

基于Matlab/ Simulink的电力电子系统的建

模与仿真

丁良龙辅修电气工程及其自动化

[摘要]:使用MATLAB/SIMULINK}对电力电子系统进行建模和仿真作了简要论述，并对几种常见的电力整流滤波电路进行了仿真分析.

[关键词]:MATLAB/SIMULINK;仿真;整流;滤波

0 引言

Matlab是当今最流行的科学技术软件，其良好的开放性使得它能够紧跟科技发展的前沿，进而为科技发展提供有力的工具 . Simulink 软件包是Matlab环境下的仿真工具，其形象、便捷的建模与仿真功能深受用户欢迎.特别是新版Matlab/Simulink提供的电力电子系统建模与仿真工具，既保留了Matlab/ Simulink的统一风格，又突出了电力电子的学科特点，为电力电子技术的研究与应用提供了理想的工具.本文简介了使用Matlab/Simulink对电力电子系统建模与仿真的工作要点和应用体会，并对常用的几种整流滤波电路进行

仿真研究.

1模块库的特点

在Matlab命令窗口键入simulink命令便打开SIMULINK的库浏览窗口.选中并展开其中的Power System Blockset模块包，可见到七个子模块包，分别是Connectors, Electrical sources, Elemerns, Fxtralibrary, Machines, Measurements, Pc、二electronics.其中的Extra library又细分为六个子模块包，进一步选中并展开各个

子模块包可得到进行电力电子系统建模与仿真所需的各种模块.关于模块库，注意其以下几个特点对应是有帮助的.

1)综合性器件

模块库看起来非常简洁，一个重要原因是，性质类似和拓扑结构相近的一类元器件已被综合成用一个模块表示.通过设置模块参数可变化一系列具有特定性质的不同元器件.如一个并联RLC模块(Parallel RLC Blcxek)通过设置模块参数可得到具有不同数值的单个R,L, C和它们的任意并联组合.又如，一个普适电桥(Universal Bridge)模块，通过设置模块参数，可得到由不同器件(二极管，晶闸管，GTO, MOSFET, IGBT和理想开关)构成的具有各种臂数(单桥臂，双桥臂或三桥臂)的整流桥. 2)灵活多样的控制模块与一般电子线路仿真模块不同，电力电子系统的运行模式决定于对功率开关器件的控制方式.SIIVIULINK提供了一整套脉冲序列发生器，为仿真系统提供控制信号.这包括可用于触发由各种可控器件构成的单相或三相变换电路的PWNI发生器，可用于触发各种功率开关器件的脉冲发生器.

3)虚拟测量仪表

SIMULINK提供的虚拟测量仪表，使仿真输出灵便、直观.除了常用的电流表、电压表、万用表和阻抗表外，还有电力电子技术中特有的有效值表、谐波总畸变测量仪、傅立叶分析仪、有功和无功功率测量仪、三相序列分析、三相电流电压测量仪、

坐标变换仪等.

4)多种仿真输出手段

SIMULINK提供了多种选择以便对仿真结果进行显示和处理.除了示波器、X、记录仪和数字显示器这些虚拟仪表外，仿真结果也可以直接传送到工作空间(Workspac劝作即时处理，也可以存储到硬盘文件以备后用.

此外，模块库还提供了为构建电力电子系统及相应控制电路所需的各种辅助模块，如各种连线模块，各种滤波器，PID控制器以及其他数字和模拟器件.如果需要，SIMULINK提供的Power blockest以外的大量其他模块也是可用的.而且由于MATLAB的开放性，读者自己还可以生成各种特殊用途的用户模块.

2建模与仿真要点

利用SIMULINK}建模非常方便，只要把所需的模块一一拖入建模窗口，设置好合适的参数，用适当的连线把它们连接好即可.但在具体操作中需要注意，在连线过程中一定要使连接点的单箭头变成粗黑箭头.若电源与变换器之间没有变压器隔离，则要注意确定两者各自的公共连接点，以免出现短路，利用接地模块和总线模块可以实现这一点若系统中有暂时不用的输入端子和输出端子，应该分别用接地(Ground)模块和终止(TerminatOr}模块将其封闭，以免仿真时在命令窗口出现不必要的警告提示.构建一个系统模型与搭建一个实际电路有时会存在很大差别，主要原因在于对电路器件等效参数的正确考虑.例如，实际电路中，将电源电压用二极管全桥整流接大电容滤波虽然会引起大的电流冲击，但仍然是可行的.可是构建系统仿真模型时，如果不在回路中串入适当的电阻或电感元件扼流，理论上将出现无穷

大的冲击电流而使仿真无法进行下去.

仿真成功的关键是设置好仿真参数，这包括仿真的起始和终止时间，仿真算法，最大相对误差和最大绝对误差，变步长或固定步长等.参数的设置要根据模型的性质和仿真的需要而定，尤其是仿真算法的选取，在很大程度上决定了仿真的正确性和仿真时间.例如，当仿真具有高频电源的系统时，如果在设置仿真参数时简单地选择变步长算法，高频电源的波形就会发生失真，仿真结果自然也不会正确.正确的做法应该是选取固定步长算法并配以适当的步长，或者仍选择变步长但设置最大步长限制.

3仿真实例

我们对单相半波整流电感滤波、电容滤波和电感电容滤波三种电路以及三相半整流电感滤波电路进行了实例性建模和仿真分析.图1一图s分别示出了模型电路和对应的仿真波型.模型电路中，单相电源为含有内阻的理想正弦波，三相电源则考虑了分布电感.二极管模块并联了阻容缓冲支路，它的一个附加输出端(E或者M)为二极管电流和端电压的测量端子.电压表和电流表的测量结果接示波器输出，示波器根据需要可以设置成多路和(或)多踪的.在三相半波整流电路模型中，使用了信号选择开关(selector)和信号分解( demux)及信号合成(mux)模块，实现了在示波器的第三路同时显示通过DIODE2和DIODE3的电流波形，而在示波器的第四路显示出DIODE3两端的电压波形.

4结束语