电力课程设计报告-电力电子技术MATLAB仿真（单相交流—交流变换电路）.doc

企业课程实习与实训报告 电气2012级“卓班”企业课程实习与实训(2)报告评语：考 勤（10）守 纪（10）实习报告（20）实训过程（20）实训报告（30分）小组答辩（10）总成绩（100）专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气1201 姓 名： 王亚龙 学 号： 201209613 指导教师： 于晓英 兰州交通大学自动化与电气工程学院2014年12月25日- 21 -1 电力电子技术MATLAB仿真（单相交流交流变换电路）1.1 单相交流调压电路1.1.1 带电阻性负载的单相交流调压电路仿真(1) 单相交流调压主电路原理图单相晶闸管交流调压电路的主电路原理如图1所示。图1 单相交流调压主电路原理图(2) 电阻性负载的工作情况单相晶闸管交流调压器由两个反相并联的晶闸管组成。带电阻性负载时，负载电流的波形与单相桥式可控整流交流侧电流波形一致，通过改变控制角，可以改变负载电压的有效值，达到交流调压的目的。单相交流调压的触发电路完全可以套用整流触发电路。电路的移相范围是0180。(3) 仿真参数设置交流电压源参数设置：交流峰值电压为100V，频率为50Hz，初始相位为0；晶闸管参数设置：Rn=0.001，Lon=0H，Vf=0.8，RS=500，CS=250e-9F；电阻性负载的参数设置：R =450；仿真时间和误差参数设置：相对误差1.0e-3；开始和结束仿真时间：0s和0.1s。(4) 绘制仿真波形 当a=0，Pulse1设置为0s，Pulse2设置为0.01s，负载电压、负载电流、流过晶闸管电流、晶闸管端电压以及晶闸管上的触发信号的波形图如图27所示。图2 晶闸管端电压图3 晶闸管电流图4 负载电压图5 负载电流图6 触发脉冲图7 电源电压 当a=60，Pulse1设置为0.00334s，Pulse2设置为0.01334s，波形图如图813所示。图8 晶闸管端电压图9 晶闸管电流图10 负载电压图11 负载电流图12 触发脉冲图13 电源电压1.1.2 带阻感性负载的单相交流调压电路仿真(1) 阻感性负载的工作情况单相晶闸管交流调压器由两个反相并联的晶闸管组成。当负载为阻感负载时，设负载的阻抗角为，如果用导线把晶闸管完全短接，稳态时负载电流应是正弦波，其相位滞后于电源电压的角度恰好等于阻抗角。在用晶闸管控制时，由于只能通过触发延迟角a推迟晶闸管的导通，所以晶闸管的触发脉冲应在电流过零点之后，使负载电流更为滞后，而无法使其超前。若把a=0的时刻仍定在电源电压过零的时刻，阻感负载下稳态时a的移相范围为a。 (2) 仿真参数设置交流电压源参数设置：交流峰值电压为100V，频率为50Hz，初始相位为0；晶闸管参数设置：Rn=0.001，Lon=0H，Vf=0.8，RS=500，CS=250e-9F；电阻性负载的参数设置：R =450，L=0.8H；仿真时间和误差参数设置：相对误差1.0e-3；开始和结束仿真时间：0s和0.1s。(3) 绘制仿真波形 当a=0，Pulse1设置为0s，Pulse2设置为0.01s，负载电压、负载电流、流过晶闸管电流、晶闸管端电压以及晶闸管上的触发信号的波形图如图1419所示。图14 晶闸管端电压图15 晶闸管电流图16 负载电压图17 负载电流图18 触发脉冲图19 电源电压 当a=60，Pulse1设置为0.00334s，Pulse2设置为0.01334s，负载电压、负载电流流过晶闸管电流、晶闸管端电压以及晶闸管上的触发信号的波形图如图2025所示。图20 晶闸管端电压图21 晶闸管电流图22 负载电压图23 负载电流图24 触发脉冲图25 电源电压1.2 单相交流调功电路1.2.1 带电阻性负载的单相交流调压电路仿真(1) 单相交流调功主电路原理图单相交流调功电路的主电路原理如图26所示。图26 单相交流调功主电路原理图(2) 调功电路的工作情况交流调功电路的主电路和交流调压电路的形式基本相同，只是控制的方式不同，它不是采用移相控制而采用通段控制方式。交流调压是在交流电源的半个周期内移相控制，交流调功是以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断，即负载与交流电接通几个波，再开几个波，通过改变接通周波数断开周波数的比值来调节所消耗的平均功率。这种电路常用于电炉的温度控制，因其直接调节对象是电路的平均输出功率，所以被称为交流调功电路。 (3) 仿真参数设置交流电压源参数设置：交流峰值电压为100V，频率为100Hz，初始相位为0；晶闸管参数设置：Rn=0.001，Lon=0H，Vf=0V，RS=500，CS=250e-9F；电阻性负载的参数设置：R=450；仿真时间和误差参数设置：相对误差1.0e-3；开始和结束仿真时间：0s和0.1s。(4) 绘制仿真波形 Pulse设置：频率25 Hz，脉冲宽度为60%，负载电压、负载电流流过晶闸管流、晶闸管端电压以及晶闸管上的触发信号的波形如图2732所示。图27 晶闸管端电压图28 晶闸管电流图29 负载电压图30 负载电流图31 触发脉冲图32 电源电压 Pulse设置：频率25 Hz，脉冲宽度为30%，波形如图3338所示。 图33 晶闸管端电压图34 晶闸管电流图35 负载电压图36 负载电流图37 触发脉冲图38 电源电压1.2.2 分析并回答问题(1)交流调压与交流调功的电路结构是否相同，控制方式有何不同？答：交流调压和交流调功电路的结构形式完全相同，二者的区别在于控制方式不同：交流调压电路是在交流电源的每个周期对输出电压波形进行控制。而交流调功电路是将负载与交流电源接通几个周波，再断开几个周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。交流调压电路广泛用于灯光控制(如调光台灯和舞台灯光控制)及异步电动机的软起动，也用于异步电动机调速。在高电压小电流或低电压大电流直流电源中，也常采用交流调压电路调节变压器一次电压。交流调功电路常用于电炉温度这样时间常数很大的控制对象。由于控制对象的时间常数大，没有必要对交流电源的每个周期进行频繁控制。(2)两者对脉冲发生器模块(Pulse)的参数设置有何不同？答：交流调压和交流调功电路对脉冲发生器模块(Pulse)的参数设置主要表现在周期和触发角的不同。交流调压电路一个电源周期对每个晶闸管触发1次，触发角根据需要而定；交流调功电路改变接通周波数与断开周波数的比值，其周期是电源周期的整数倍，触发角为零。1.3 单相斩控式交流调压电路1.3.1 单相斩控式交流调压电路仿真(1) 单相斩控式交流调压电路原理图单相斩控式交流调压电路原理图如图39所示。图39 单相交流调功主电路原理图(2) 交流调压电路的工作情况斩控式交流调压电路采用全控型器件作为开关器件。其基本原理和直流斩波电路有类似之处，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源Ui的正半周，用VT1进行斩波控制，用VT3给负载电流提供续流通道；在Ui的负半周，用VT2进行斩波控制，用VT4给负载电流提供续流通道。设载波器件（VT1或VT2）导通时间为Ton，开关周期为T，则导通比a=Ton/T。和直流斩波电路一样，也可以通过改变a来调节输出电压。(3) 仿真参数设置交流电压源参数设置：交流峰值电压为100V，频率为50Hz，初始相位为0；IGBT参数设置：Rn=0.001，Lon=0H，Vf=0.8V，RS=500，CS=3.0e-7F；电阻性负载的参数设置：R =200；仿真时间和误差参数设置：相对误差1.0e-3；开始和结束仿真时间：0s和0.1s。(4) 绘制仿真波形触发信号的脉冲宽度为50%时，电源电压、负载电压、负载电流、流过IGBT的电流及端电压、触发信号的波形如图4045所示。图40 电源电压图41 触发脉冲图42 负载电压图43 负载电流图44 IGBT电流图45 IGBT电压 触发信号的脉冲宽度为20%时，电源电压、负载电压、负载电流、流过IGBT的电流及端电压、触发信号的波形如图4651所示。图46 电源电压图47 触发脉冲图48 负载电压图49 负载电流图50 IGBT电流图51 IGBT电压1.3.2 分析并回答问题(1)比较斩控式交流调压电路与相控交流调压电路的功率因数有何不同？答：相控作用使电流发生滞后，并且波形也发生畸变，所以即使纯电阻负载功率因数也不为1。而且控制角越大，功率因数越低，这是相控电路普遍存在的一个缺点。斩控式调压电路电阻性负载时电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1。另外，通过傅里叶分析可知，电源电流中不含低次谐波只含和开关周期T有关的高次谐波,这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除。这时电路的功率因数接近1,功率因数相对较高。(2)两者对脉冲发生器模块(Pulse)的参数设置有何不同？答：相控式调压电路脉冲频率等于电源电压频率，斩控式调压电路脉冲频率为电源电压频率20倍。2电力系统MATLAB仿真（电力系统的暂态稳定性分析与仿真）2.1 仿真题目选取如下图所示的单机无穷大系统，分析在f点发生两相接地短路，通过线路两侧开关同时断开切除故障线路后，系统的暂态稳定性。图52 单机无穷大系统发电机的参数如下：SGN=352.5MVA，PGN=300MW，UGN=10.5Kv， xd=1，xd=0.025，xd=0.252，xq=0.6，xq=0.234，xl=0.18，Td=1.01，Td=0.053，Tq=0.1，Rs=0.0028，H(s)=4s；TJN=8s；负序电抗:x2=0.2。变压器T-1的参数如下：STN1=360MVA，UST1%=14%，kT1=10.5/242；变压器T-2的参数如下：STN2=360MVA，UST2%=14%，kT2=220/121。线路的参数如下：l=250km，UN=220kV，xL=0.41/km，rL=0.07/km，线路的零序阻抗为正序阻抗的5倍。运行条件如下：U0=115kV，P0=250MV，cos0 =0.95。2.2 故障分析与计算(1) 等效电路图该单机无穷大系统的零序和负序以及短路时的等效电路如下图所示。图53 负序网络图54 零序网络图55 短路时的等值电路(2) 网络参数及运行参数计算；取SB=250MVA，UB=115KV。为使变压器不出现非标准变化，各段基准电压为UB=UBKT2=115220121KV=209.1KV，UB=UBkT=9.07KV各元件参数归算后的标幺值如下：Xd=0.95，Xq=0.57，Xd，=0.238，RL=0.1，XL=0.586，XL0=5XL=2.93，XT1=0.13，XT2=0.108，X2=0.19，TJ=11.28sXTL=XT1+1/2XL+XT2=0.13+1/20.586+0.108=0.531Xd=Xd+XTL=0.95+0.531=1.481Xq=Xq+XTL=1.101Xd=Xd+XTL=0.769运算参数的计算结果如下：U0=U0/UB=115/115=1;P0=P0/SB=250/250=1;Q0=P0tan0 =0.329E0=1.470=31.54(3) 系统转移电抗和功率特性计算；当f点发生两相短路时的负序和零序等值网络如图所示X2=0.178X0=0.12两相接地时的短路附加电抗为=0.072短路时的等值电路如图6-7a b所示，系统的转移电抗和功率特性分别为=0.52故障切除后系统的转移电抗和功率特性分别为=1.062=1.384(4) 系统极限切除角计算应用等面积定则，可求得极限切除角为：=1.1102式中，临界角=2.334以上的角度都是用弧度表示的，换算成度数为，=133.73 2.3 Simulink仿真(1)系统的Simulink仿真模型结合单机无穷大系统图，搭建其暂态稳定性的Simulink仿真模型见附图5。(2) 结合分析计算所得参数，发电机模块、无穷大系统模块、输电线路、断路器参数设置的窗口图如下所示。图56 发电机模块的参数设置图57 输电线路的参数设置图58 无穷大系统电源模块的参数设置图59 断路器模块的参数设置(3)故障发生后0.2 s和0.5 s切除故障线路，发电机转速变化的曲线图如下图所示。图60 故障0.2s后切除线路，发电机转速变化曲线图图61 故障0.5s后切除线路，发电机转速变化曲线图2.4 分析并回答问题(1) 故障发生后0.2 s和0.5 s切除故障线路，发电机转速变化反映出什么信息？答：故障发生后0.2 s和0.5 s切除故障线路，从发电机转速变化的仿真曲线可以看出，当f点发生两相接地短路故障0.2s后切除故障线路时，发电机的转速随时间的增加而逐渐减小（在0.99到1.01之间变化），趋于稳定值，因此系统是稳定的；当故障后0.5s切除故障线路时（切除时间已大于极限切除时间），发电机的转速随时间的增大而增大，系统是不稳定的。(2)Powergui模块中，潮流计算部分应如何进行初始化设置？答：利用Powergui模块对电机进行初始化设置。单击Powergui模块，打开“潮流计算和电机初始化”窗口，设置发电机节点的类型为PV节点，机端电压10.5kV，输出功率300MV.A，频率为50Hz然后更新系统潮流。“潮流计算和电机初始化”窗口设置如下图所示。图62 潮流计算和电机初始化设置3 总结本次企业课程实习与实训历时四周，与我们本学期电力电子技术、电力系统分析课程的基础理论紧密结合。实训期间，完成了电子电子技术单相交流交流变换电路的MATLAB仿真、简单电力系统的暂态稳定性分析与仿真等课题。电子电子技术MATLAB仿真涉及交流调压电路、交流调功电路、斩控式交流调压电路，通过绘制电路原理图，在simulink环境下建立其