实验报告电力电子仿真实验

电气 1309 班 1131540517 王睿哲 姚蜀军
电力电子仿真实验
实验报告
院 系：电气与电子工程学院班 级： 学
号：
学生姓名： 指导教师： 成
绩：
日期： 2017 年 1 月 2 日
目录
实验一晶闸管仿真实验 (3)
实验二三相桥式全控整流电路仿真实验 (7)
实验三电压型三相SPWM 逆变器电路仿真实验 (21)
实验四单相交-直-交变频电路仿真实验 (31)
实验五VSC 轻型直流输电系统仿真实验 (41)
实验一晶闸管仿真实验
实验目的
掌握晶闸管仿真模型模块各参数的含义。

理解晶闸管的特性。

实验设备：MATLAB/Simulink/PSB
实验原理
晶闸管测试电路如图1-1 所示。

u2 为电源电压，ud 为负载电压，id 为负载电流，uVT 为晶闸管阳极与阴极间电压。

图1-1 晶闸管测试电路
实验内容
启动Matlab ，建立如图1-2 所示的晶闸管测试电路结构模型图。

图1-2 带电阻性负载的晶闸管仿真测试模型
双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图1-3 、1-4 、1-5 所示。

图1-3 交流电压源模块参数
图1-4 晶闸管模块参数
图1-5 脉冲发生器模块参数
固定时间间隔脉冲发生器的振幅设置为5V ，周期与电源电压一致，为0.02s （即频率为50Hz ），脉冲宽度为 2 （即7.2 o），初始相位（即控制角）设置为0.0025s （即45 o）。

串联RLC 分支模块Series RLC Branch 与并联RLC 分支模块Parallel RLC Branch 的
参数设置方法如表1-1 所示。

表1-1 RLC 分支模块的参数设置
元件串联RLC 分支并联RLC 分支
类别电阻数值电感数值电容数值电阻数值电感数值电容数值单个电阻R 0 inf R inf 0
单个电感0 L inf inf L 0
单个电容0 0 C inf inf C 在本系统模型中，双击Series RLC Branch 模块，设置参数如图1-6 所示。

图1-6 负载模块参数
系统仿真参数设置如图1-7 所示。

图1-7 系统仿真参数
运行仿真模型系统即可得到控制角为45 o时，电源电压、触发信号、流过晶闸管的电流、晶闸管阳极和阴极两端电压、负载电流、负载电压的仿真波形，如图1-8 所示。

运行仿真模型系统即可得到控制角为45o 时，电源电压、触发信号、流过晶闸管的电流、晶
闸管阳极和阴极两端电压、负载电流、负载电压的仿真波形，如图1-8 所示。

图1-8 控制角为45 o时的仿真波形（带电阻性负载）
改变固定时间间隔脉冲发生器模块的初始相位（即控制角）参数，可以得到不同控制角
度下的仿真波形。

例如将初始相位设置为0s ，可以得到控制角为0 o时的仿真波形，如图1-9 和1-10 所示。

图1-9 脉冲发生器模块参数
图1-10 控制角为0 o时的仿真波形（带电阻性负载）
改变串联RLC 分支模块的参数即可改变负载类型。

例如，设置该模块的参数R=1 Ω，L=0.01H ，电容为inf，即为阻感性负载，如图1-11 所示。

当控制角设置为45o 时的仿真波
形如图1-12 所示。

图1-11 负载模块参数
图1-12 控制角为45o时的仿真波形（带阻感性负载）
同理，在带阻感性负载的情况下，改变固定时间间隔脉冲发生器模块的初始相位（即控制角）参数，可以得到不同控制角度下的仿真波形。

例如将初始相位设置为0.0075s ，可以
得到控制角为135 o时的仿真波形，如图1-13 所示。

图1-13 控制角为135 o时的仿真波形（带阻感性负载）
实验二三相桥式全控整流电路仿真实验
实验目的
掌握三相桥式全控整流电路仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。

理解三相桥式全控整流电路的工作原理及仿真波形。

实验设备：MATLAB/Simulink/PSB
实验原理
三相桥式全控整流电路如图2-1 所示。

u2 为电源电压，ud 为负载电压，id 为负载电流，
uVT 为晶闸管阳极与阴极间电压。

图2-1 三相桥式全控整流电路
实验内容
启动Matlab ，建立如图2-2 所示的三相桥式全控整流电路结构模型图。

图2-2 三相桥式全控整流电路模型
双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图2-3 、2-4 、2-5 、2-6 、2-7 、2-8 、2-9 所示。

图2-3 交流电压源Va 模块参数
图2-4 交流电压源Vb 模块参数
图2-5 交流电压源Vc 模块参数图2-6 同步脉冲发生器模块参数
图2-7 触发脉冲控制角常数设置
图2-8 触发脉冲封锁常数设置
图2-9 负载模块参数
系统仿真参数设置如图2-10 所示。

图2-10 系统仿真参数
运行仿真模型系统即可得到控制角为30 o时，电源电压、触发信号、负载电流、负载电压的仿真波形，如图2-11 所示。

图2-11 控制角为30o时的仿真波形（带电阻性负载）
改变同步脉冲发生器模块的控制角，即可得到不同工作情况下的仿真波形。

例如将晶闸管控制角取为60 o，即将触发脉冲控制角常数设置为60，此时的仿真波形如图2-12 所示。

图2-12 控制角为60o时的仿真波形（带电阻性负载）
改变串联RLC 分支模块的参数即可改变负载类型。

例如，设置负载模块的参数R=10 Ω，L=0.04H ，电容为inf，即为阻感性负载，当晶闸管控制角取为45 o（将触发脉冲控制角常数设置为45）时的仿真波形如图2-13 所示。

图2-13 控制角为45o时的仿真波形（带阻感性负载）
同理，在带阻感性负载的情况下，改变固定时间间隔脉冲发生器模块的初始相位角即可
得到不同工作情况下的仿真波形。

例如将晶闸管控制角取为0o，即将触发脉冲控制角常数设置为0 ，此时的仿真波形如图2-14 所示。

图2-14 控制角为0 o时的仿真波形（带阻感性负载）
实验总结
1、总结三相桥式全控整流电路的控制规律。

1）每个时刻均需两个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是共阴极
组（将阴极连接在一起的三个晶闸管组的（阳极连接在一起的三个晶闸管号同图3-1 ）。

VT1 、VT3 、VT5 称为共阴极组）的，一个是共阳极VT
2
、VT4 、VT6 ），且不能为同一相的晶闸管。

（标
2）对触发脉冲的要求是六个晶闸管的脉冲按VT1 -VT2 -VT3 -VT4 -VT5 -VT6 的顺序，相位依次差60 °，共阴极组和共阳极组的脉冲依次差120 °，同一相的上下两个桥臂，脉冲相差180 °。

3）在整流电路合闸启动过程中或电流断续时，为确保电路的正常工作，需保证同时导通的两个晶闸管均有脉冲。

为此，可采用两种方法：一种是使脉冲宽度大于60 °（一般取
80 °~100 °），称为宽脉冲触发；另一种方法是，在触发某个晶闸管的同时，给前一个晶
闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲代替宽脉冲，两个窄脉冲的前沿相差60°，脉宽一般为
20 °~30 °，称为双脉冲触发。

4）整流输出的电压即负载两端的电压应该是两相电压相减后的波形，波头u
ab
、u ac 、u bc 、
u
ba
、u ca 、u cb 均为线电压的一部分，整流输出的电压是上述线电压的包络线。

相电压的交点与线电压的交点在同一角度位置上，故线电压的交点也为自然换相点。

同时可看
出，三相桥式全控整流电压在一个周期内脉动 6 次，脉动频率为 6 50=300Hz ，比三相半波时大一倍。

5）三相桥式整流电路在任何瞬间仅有 2 个桥臂导通，其余 4 个桥臂的元件均承受着变化的反向电压，晶闸管承受的反向最大电压即为线电压的峰值。

实验三电压型三相SPWM 逆变器电路仿真
实验
实验目的
掌握电压型三相SPWM 逆变器电路仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。

理解电压型三相SPWM 逆变器电路的工作原理及仿真波形。

实验设备：MATLAB/Simulink/PSB
实验原理
电压型三相SPWM 逆变器电路如图3-1 所示。

图3-1 电压型三相SPWM 逆变器电路
实验内容
启动Matlab ，建立如图3-2 所示的电压型三相SPWM 逆变器电路结构模型图。

图3-2 电压型三相SPWM 逆变器电路模型
双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图3-3 、3-4 、3-5 、3-6 、3-7 、3-8 所示。

图3-3 直流电压源模块参数
图3-4 通用桥模块参数
图3-5 PWM 发生器模块参数
图3-6 负载Ra 模块参数图3-7 负载Rb 模块参数
图3-8 负载Rc 模块参数
系统仿真参数设置如图3-9 所示。

图3-9 系统仿真参数
运行仿真模型系统即可得到输出端三相交流电流、输出端交流电压uab 、输出端交流电压ubc 、输出端交流电压uca 的仿真波形，如图3-10 所示。

图3-10 电压型三相SPWM 逆变器电路仿真波形（输出频率为50Hz ）
在PWM 发生器模块中，将逆变桥输出电压频率设置为200Hz ，此时的仿真波形如图3-11 所示。

图3-11 电压型三相SPWM 逆变器电路仿真波形（输出频率为200Hz ）
改变PWM 发生器模块的输出电压频率参数，即可得到不同工作情况下的仿真波形。

例如将逆变桥输出电压频率设置为25Hz ，此时的仿真波形如图3-12 所示。

图3-12 电压型三相SPWM 逆变器电路仿真波形（输出频率为25Hz ）又例如将逆变桥输出电压频率设置为10Hz ，此时的仿真波形如图3-13 所示。

图3-13 电压型三相SPWM 逆变器电路仿真波形（输出频率为10Hz ）
实验总结
1、总结电压型三相SPWM 逆变器的工作原理。

如上图。

电路采用双极性控制方式。

a, b, c 三相的PWM 控制通常公用一个三角波载波u c ，
三相的调制信号u ra 、u rb 、u rc 依次相差120 °。

a, b, c 各相功率开关器件的控制规律相同，
上下桥臂的驱动信号始终是互补的。

以 a 相为例说明，当u ra u c 时，给上桥臂T1 以导通信
号，给下桥臂T4 以关断信号，则 a 相相对于直流电源假想中点N ' 的输出电压为U d / 2 。

当
u
u c 时，给上桥臂T1 以关断信号，给下桥臂T4 以导通信号，则相对于中点N ' 的输出电ra
压为U d / 2 。

可以看出，u aN ' 、u bN ' 、u cN ' 的PWM 波形都只有U d / 2 两种电平。

线电
压u ab 的波形可由u aN ' u bN ' 得出。

当桥臂1 和6 导通时，u ab =U d，当桥臂3 和4 导通时，
u ab =-U
d
，当桥臂 1 和3 或桥臂 4 和6 导通时，u ab =0 。

因此逆变器输出线电压PWM 波
形由U d 和0 三种电平构成。

实验四单相交-直-交变频电路仿真实验
实验目的
掌握单相交-直-交变频电路仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。

理解单相交-直-交变频电路的工作原理及仿真波形。

实验设备：MATLAB/Simulink/PSB
实验原理
单相交-直-交变频电路如图4-1 所示。

单相交流电源先经过不可控整流桥变为直流，经过滤波电路滤波后，送入IGBT 单相逆变桥逆变为交流，再经过滤波处理后给负载供电。

图4-1 单相交-直-交变频电路
实验内容
启动Matlab ，建立如图4-2 所示的单相交-直-交变频电路结构模型图。

图4-2 单相交-直-交变频电路模型
双击各模块，在出现的对话框内设置相应的模型参数，如图4-3 、4-4 、4-5 、4-6 、4-7 、4-8 、4-9 、4-10 、4-11 所示。

图4-3 交流电压源模块参数
图4-4 不可控整流桥模块参数图4-5 滤波电感L1 模块参数
图4-6 滤波电容C1 模块参数图4-7 IGBT 逆变桥模块参数
图4-8 离散PWM 发生器模块参数图4-9 滤波电感L2 模块参数
图4-10 滤波电容C2 模块参数
图4-11 负载模块参数
系统仿真参数设置如图4-12 所示。

图4-12 系统仿真参数
运行仿真模型系统即可得到输入端交流电源电压、中间直流电压、输出端负载电压的仿真波形，如图4-13 所示。

运行仿真模型系统即可得到输入端交流电源电压、中间直流电压、输出端负载电压的仿真波形，如图4-13 所示。

图4-13 单相交-直-交变频电路仿真波形（输入频率为50Hz ，输出频率为100Hz ）
在离散PWM 发生器模块中，将逆变桥输出电压频率设置为200Hz ，此时的仿真波形如图4-14 所示。

图4-14 单相交-直-交变频电路仿真波形（输入频率为50Hz ，输出频率为200Hz ）
改变离散PWM 发生器模块的输出电压频率参数，即可得到不同工作情况下的仿真波形。

例如将逆变桥输出电压频率设置为25Hz ，此时的仿真波形如图4-15 所示。

图4-15 单相交-直-交变频电路仿真波形（输入频率为50Hz ，输出频率为25Hz ）又例如将逆变桥输出电压频率设置为10Hz ，此时的仿真波形如图4-16 所示。

图4-16 单相交-直-交变频电路仿真波形（输入频率为50Hz ，输出频率为10Hz ）
实验总结
1、总结单相交-直-交变频电路的工作原理。

单相交流电源先经过不可控整流桥变为直流，经过滤波电路滤波后，送入IGBT 单相逆变桥逆变为交流，再经过滤波处理后给负载供电。

整流电路：将工频电源进行整流，经中间直流环节平波后为逆变电路和控制电路提供所需的
直流电源
滤波电路：三相整流桥输出的电压和电流属于直流脉冲电压和电流。

为了减小直流电压和电流的波动，直流滤波电路起到对整流电路的输出进行滤波的作用。

逆变电路：在控制电路的作用下，将直流电路输出的直流电源转换成频率和电压都可以任意
调节的交流电源。

实验五VSC 轻型直流输电系统仿真实验
实验目的
掌握VSC 直流输电系统（VSC-HVDC ）仿真模型的建立及模块参数和仿真参数的设置。

理解VSC-HVDC 的工作原理及仿真波形。

实验设备：MATLAB/Simulink/PSB
实验原理
轻型直流输电（HVDC Light ）系统的结构原理如图5-1 所示。

图5-1 两端接有源网络的VSC-HVDC 系统原理图
实验内容
基于VSC-HVDC 流程为：发电站→整流系统→直流传输线路→逆变系统→用电负载。

1、VSC-HVDC 系统设计
系统说明：
建立VSC-HVDC 仿真模型如图5-1 所示。

图5-1 VSC-HVDC 仿真模型
2 子系统设计：
（1 ）整流侧
图5-2 整流侧交流系统
图5-3 整流侧换流器
图5-3 整流侧控制系统（2 ）逆变侧
图5-2 逆变侧交流系统图5-3 逆变侧换流器
图5-3 逆变侧控制系统
3、仿真波形
（1）整流侧仿真波形
（2）逆变侧仿真波形
实验总结
1、查资料简要说明VSC-HVDC 轻型直流输电系统的工作特点。

轻型直流输电是在电压源换流器(VSC) 技术和门极可关断晶闸管(GTO ) 及绝缘栅双极晶体管(IGBT ) 等全控型功率器件基础上发展起来的，由高频开关器件IGBT 构成的正弦脉宽
) 式VSC 。

其工作原理是：工频正弦波控制信号经与三角波载波信号比较产生
调制(SPWM
触发信号。

轻型直流输电系统的工作特点：1）
轻型直流输电系统则通过小型电抗器与电网相连，只有在直流电压同电网电压不相匹配时
才加变压器。

2）
轻型直流输电系统则不需要加电容器或者调相机等进行无功补偿，只需要尺寸很小的滤波
器。

3）轻
型直流输电系统可用于向无源网络供电，如小岛、钻井平台等远离电网的负载，可以从电
网直接输送电能至负荷区，降低了成本，减小了电站占地面积，同时也减少了污染。

4 ）轻型直流输电系统灵活的潮流控制能力使得它可以充当系统中SVC （Static Var Compensator ）或者STATCOM （Static Synchronous Compensator ），两端换流站可以
各自独立地调节交流电压，在系统故障情况下，其控制交流电压的能力对于稳定电力系统更
有利。

5）轻型直流输电系统可以用于短路容量小的系统，甚至是无源网络。

6）轻型直流输电VSC换流站本身可以自由控制有功和无功功率，甚至可以使功率因数为 1 ，对于VSC而言，这种调节能够快速完成，可以等效为一个无惯性的发电机。

7）通过PWM 方式可以自由控制输出交流电压幅值和频率，可将变压器一次电压稳定在常
数值，在系统发生短路故障时通过调节输出电压降低短路电流，这对于提高系统稳定性有一
定作用。

8）轻型直流输电系统两个站之间不需要快速通信联系，每个站可以独立控制。

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