基于Matlab_Simulink的电力电子系统的建模与仿真

Ξ

第17卷第1期南华大学学报(理工版)V ol.17N o.1 2003年3月Journal of Nanhua University(Science&Engineering Edition)Mar.2003文章编号:1006-737X(2003)01-0001-06

基于MatlabΠSimulink的电力电子系统的建模与仿真

邓国扬,盛义发

(南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001)

摘　要:使用MAT LABΠSI MU LI NK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:MAT LABΠSI MU LI NK;仿真;整流;滤波

中图分类号:T M46 文献标识码:A

Modeling and Simulation of Pow er E lectronic

Systems B ased on MAT LABΠSIMU LINK

DENG G uo-yang,SHENG Yi-fa

(School of E lectrical Enginering,Nanhua University,Hengyang421001,Hunan,China)

Abstract:The paper briefly presents m odeling and simulation of power electronic systems

based on MatlabΠSimulink.A few comm only-used power rectifying and filtering circuits are

simulated and analyzed.

K ey w ords:MatlabΠSimulink;simulation;rectification;filtering

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[1].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MatlabΠSimulink提供的电力电子系统建模与仿真工具,既保留了MatlabΠSimulink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MatlabΠSimulink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SI MU LI NK的库浏览窗口.选中并展开其中的P ow2 er System Blockset模块包,可见到七个子模块包,分别是C onnectors,E lectrical s ources,E lements,Extra library,Machines,Measurements,P ower 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

Ξ收稿日期:2002-10-18

作者简介:邓国扬(1958-),男,湖南祁阳人,南华大学电气工程学院教授,博士生导师.

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R LC 模块(Parallel R LC Block)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,G T O,MOSFET,IG BT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.SI MU LI NK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PW M 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

SI MU LI NK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

SI MU LI NK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、XY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(W orkspace)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,PI D控制器以及其他数字和模拟器件.如果需要,SI MU LI NK提供的P ower sys2 tem blockset以外的大量其他模块也是可用的.而且由于MAT LAB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SI MU LI NK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(G round)模块和终止(T er2 minator)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-图8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.

2南华大学学报(理工版) 2003年3月