电力电子MatLab仿真

1 前言 MATLAB 的简介 MATLAB 是一种适用于工程应用的各领域分析设计与复杂计算的科学计算软件 由美国 Mathworks 公司于 1984 年正式推出 1988 年退出 3 X DOS 版本 19992 年推出 4 X Windows 版本 19997 年腿 5 1 Windows 版本 2000 年下半年 Mathworks 公司 推出了他们的最新产品 MATLAB6 0 R12 试用版 并于 2001 年初推出了正式版 随着版 本的升级 内容不断扩充 功能更加强大 近几年来 Mathworks 公司将推出 MATLAB 语言 运用于系统仿真和实时运行等方面 取得了很多成绩 更扩大了它的应用前景 MATLAB 已 成为美国和其他发达国家大学教学和科学研究中最常见而且必不可少的工具 MATLAB 是 矩阵实验室 Matrix Laboratory 的缩写 它是一种以矩阵运算为基础 的交互式程序语言 着重针对科学计算 工程计算和绘图的需要 在 MATLAB 中 每个变量 代表一个矩阵 可以有 n m 个元素 每个元素都被看做复数摸索有的运算都对矩阵和复数 有效 输入算式立即可得结果 无需编译 MATLAB 强大而简易的做图功能 能根据输入数 据自动确定坐标绘图 能自定义多种坐标系 极坐标系 对数坐标系等 讷讷感绘制三维 坐标中的曲线和曲面 可设置不同的颜色 线形 视角等 如果数据齐全 MATLAB 通常只 需要一条命令即可做图 功能丰富 可扩展性强 MATLAB 软件包括基本部分和专业扩展部 分 基本部分包括矩阵的运算和各种变换 代数和超越方程的求解 数据处理和傅立叶变 换及数值积分风 可以满足大学理工科学生的计算需要 扩展部分称为工具箱 它实际上 使用 MATLAB 的基本语句编成的各种子程序集 用于解决某一方面的问题 或实现某一类的 新算法 现在已经有控制系统 信号处理 图象处理 系统辨识 模糊集合 神经元网络 及小波分析等多种工具箱 并且向公式推倒 系统仿真和实时运行等领域发展 MATLAB 语 言的难点是函数较多 仅基本部分就有七百多个 其中常用的有二三百个 MATLAB 在国内外的大学中 特别是数值计算应用最广的电气信息类学科中 已成为每 个学生都应该掌握的工具 MATLAB 大大提高了课程教学 解题作业 分析研究的效率 2 SIMULINK 仿真工具简介仿真工具简介 SIMULINK 是 Mathworks 公司开发的 MATLAB 仿真工具之一 其主要功能是实现动 态系统建模 仿真与分析 SIMULINK 支持线性系统仿真和非线性系统仿真 可以进行连续 系统仿真 也可以进行离散系统仿真 或者两者混合的系统仿真 同时也支持具有多种采样速 率的采样系统仿真 利用 SIMULINK 对系统进行仿真与分析 可以对系统进行适当的实时修 正或者按照仿真的最佳效果来调试及确定控制系统的参数 以提高系统的性能 减少设计系统 过程中反复修改时间 从而实现高效率地开发实际系统的目标 SIMULINK 最早出现在 MATLAB4 0 版的核心执行文件中 在 MATLAB4 2 版以后 SIMULINK 则以 MATLAB 的工具包形式出现 需要单独安装 在 MATLAB5 0 版中 SIMULINK 为 2 0 版 在 MATLAB5 3 版中 SIMULINK 升级为 3 0 版 而在 MATLAB6 1 版 中 SIMULINK 则升级为 4 1 版 本书只对 SIMULINK4 1 版进行介绍 SIMULINK4 1 版是用来建模 分析和仿真各种动态系统的交互环境 包括连续系统 离散系统和混杂系统 SIMULINK 提供了采用鼠标拖动的方法建立系统框图模型的图形 交互界面 SIMULINK 提供了大量的功能模块以方便拥护快速地建立系统模型 建模时只需要 使用鼠标拖动库中的功能模块并将它们连接起来 使用者可以通过将模块组成字子系统来建 立多级模型 SIMULINK 对模块和连接的数目没有限制 SIMULINK 还支持 Stateflow 用来 仿真事件驱动过程 SIMULINK 框图提供了交互性很强的非线性仿真环境 可以通过下拉菜单执行仿真 或使用命令进行批处理 仿真结果可以在运行的同时通过示波器或图形窗口显示 SIMULINK 的开放式结构允许用户扩展仿真环境的功能 如用 MATLAB FORTRAN 和 C 代码生成自定义块库 并拥有自己的图标和界面 或者将用户原来由 FORTRAN 或 C 语言 编写的代码连接起来 由于 SIMULINK 可以直接利用 MATLAB 的数学 图形和编程功能 用户可以直接在 SIMULINK 下完成数据分析 优化参数等工作 工具箱提供的高级的设计和分析能力可以通 过 SIMULINK 的屏蔽手段在仿真过程中执行 SIMULINK 的模型库可以通过专用元件集进 一步扩展 MATLAB6 5 1 有两张光盘 其中第二张帮助文件 把第一张碟放进光驱 系统会自动 进入安装程序 在安装过程只要输入用户名称 公司及产品注册码等 安装完之后 在 Windows 桌面上会自动生成 MATLAB 的快捷方式图标 3 实验一 电力电子器件 仿真过程 首先点击桌面的 MATLAB 图标 进入 MATLAB 环境 点击工具栏中的 Simulink 选项 进入我们所需的仿真环境 如图 1 1 所示 点击 File New Model 新建一个仿真平台 这时我们可以在上一步 Simulink 环境中拉我们所需的元件到 Model 平台中 具体做法是点 击左边的器件分类 这里我们一般只用到 Simulink 跟 SimPowerSystems 两个 分别在他们 的下拉选项中找到我们所需的器件 用鼠标左键点击所需的元件不放 然后直接拉到 Model 平台中 图 1 1 实验一的具体过程 第一步 我们首先按照之前的方法打开仿真环境新建一个仿真平台 现在我们先仿真 新器件 GTO 的工作原理 按照下表 根据表中的路径找到我们所需的器件跟连接器 4 元件名称提取路径 触发脉冲Simulink Sources Pulse Generator 电源Sim Power Systems Electrical Sources DC Voltage Source 示波器Simulink Sinks Scope 接地端子Sim Power Systems Elements Ground 信号分解器Simulink Signal Routing Demux 电压表Sim Power Systems Measurements Voltage Measurement 电流表Sim Power Systems Measurements Current Measurement 负载 RLCSim Power Systems Elements Series RLC Branch GTO 器件Sim Power Systems Power Electronics Gto 提取出来的器件模型如图 1 2 所示 图 1 2 第二步 元件的复制跟粘贴 有时候相同的模块在仿真中需要多次用到 这时按照我们常 规的方法可以进行复制跟粘贴 可以用一个虚线框复制整个仿真模型 还有一个常用方便 的方法是在选中模块的同时按下 Ctrl 键拖拉鼠标 选中的模块上会出现一个小 好 继续按住鼠标和 Ctrl 键不动 移动鼠标就可以将模块拖拉到模型的其他地方复制出一个相 同的模块 同时该模块名后会自动加 1 因为在同一仿真模型中 不允许出现两个名字 相同的模块 第三步 我们把元件的位置调整好 准备进行连接线 具体做法是移动鼠标到一个器 件的连接点上 会出现一个 十字 形的光标 按住鼠标左键不放 一直到你所要连接另 一个器件的连接点上 放开左键 这样线就连好了 如果想要连接分支线 可以要在需要 分支的地方按住 Ctrl 键 然后按住鼠标左键就可以拉出一根分支线了 在连接示波器时会发现示波器只有一个接线端子 这时可以参照下面示波器的参数调整的 方法进行增加端子 在调整元件位置的时候 有时你会遇到有些元件需要改变方向才更方 5 便于连接线 这时可以选中要改变方向的模块 使用 Format 菜单下的 Flip block 和 Rotate block 两条命令 前者改变水平方向 后者做 90 度旋转 也可以用 Ctrl R 来做 90 度旋转 同时双击模块旁的文字可以改变模块名 然后单击菜单栏中的 Edit Signal Properties 命令来 刷新模型 模块的颜色也可以在激活模块后 点击右键 在 background color 中选择自己喜 欢的颜色 连接好的电路图如图 1 3 所示 图 1 3 第四步 模块的参数设置 设者模型参数是保证仿真准确和顺利的重要一步 有些参 数是由仿真任务规定的 如本例仿真中的电源电压与电阻值等 有些参数是需要通过仿真 来确定的 设置模型参数可以双击模块图标弹出参数设置对话框 然后按框中提示输入 若有不清楚的地方可以借助帮助来看相关功能 本例中 参数设置如下 1 脉冲发生器的参数设置 双击脉冲发生器 会弹出一个对话框 改变需要的参数 后如图 1 4 所示 其中参数行中从第一个开始分别为 振幅 周期 脉宽 控制角 延迟时间 控制角 a 的设置按照 t aT 360 图 1 4 2 打开电源设置对话框 我们这里设置电源为 220V 直接在参数行输入数字即可 6 3 新器件 GTO 的参数设置 这里我们采用默认设计 当需要改变的时候也可以另外 设置 4 负载参数的设置 我们这里只是用到电阻负载 所以可以这样设置 电阻 R 100 H 0 C inf 设置完如图 1 5 所示 图 1 5 5 示波器的参数设置 当我们开始连接的时候 示波器只有一个连接端子 这时我 们需要增加示波器的接线端子 具体做法是双击示波器 弹出的对话框如图 1 6 示 图 1 6 单击工具栏中第二个小图标 即打印机图标的旁边的图标 弹出第二个对话框 2 图 1 7 7 图 1 7 只要在 Number of axes 项中把 1 改成所需要增加的端子数字就可以 这里我们用到两 个端子 我们把它改成 2 就可以了 在 Time range 中设置一个数值 也即显示时间 所设置的时横坐标 就是我们的的仿真时间 6 仿真参数设置 在仿真开始前还必须首先设置仿真参数 在菜单中选择 Simulation 在下拉菜单中选择 Simulation parameters 在弹出的对话款中可设置的 项目很多 主要有开始时间 终止时间 仿真类型 包括步长和解电路的树枝方 法 积极相对误差 绝对误差等 步长 解法和误差的选择对仿真运行的速度影 响很大 步长太长计算容易发散 步长太小运算时间太长 本题使用 ode23tb 算法 仿真参数设计如图 1 8 所示 图 1 8 在参数设置完毕后既可以开始仿真 点击运行按钮 开始仿真 在屏幕下方 的状态栏上可以看到仿真的进程 若要中途停止仿真可以点击 按钮 在仿真完毕之 后既可以通过双击示波器来观察仿真的结果 本例的仿真图形 电阻 如图 1 9 跟图 1 10 所示 图 1 9 晶闸管的波形 8 图 1 10 负载的波形 如果在一开始观察不到示波器的波形 可以点击工具栏上的望远镜 会自动的给定一个合 适的坐标 观察到我们需要的波形 如果我们想改变纵坐标 可以单击邮件 选择弹出快 捷菜单中的 Axes properties 命令 出现如图 1 11 所示示波器的纵坐标参数设置对话框 图 1 11 本题如果要设置电阻电感负载 只需要在 RLC 参数中给电感量一个数值就可以了 到这里 我们就把新器件 GTO 的仿真完成了 按照同样的方法 再从 Sim Power Systems Power Electronics 中调用其他需要仿真的新器件 就可以观察到我们所需要的波形 了 上面做的全控型器件 现在我们做一个半控型器件 也就是我们平时所说的普通晶 闸管 我们在电力电子器件里面提取出一个晶闸来 这里注意晶闸管有两种类型 Detailed Thyristor 的是详细的晶闸管模型 而 Thyristor 是普通晶闸管 具体选择看你对晶闸管参数 的要求多高 详细的晶闸管有很多参数可以设置 仿真的电路图如图示 模块的参数的设置跟之前的一样 为了得到更好的波形效果 我们把仿真的开始时 间设置为 4 结束时间设置为 10 同若运行仿真电路 我们可以得到仿真之后的各种波形 9 负载波形晶闸管波形 实验二 单相半波可控整流电路 仿真过程 1 建立仿真模型 1 首先我们新建一个仿真模型的文件 方法跟实验一样 文件名自己给定 2 提取电路元件模块 组成单相半波可控整流电路的主要元器件有交流电源 晶闸 管 RLC负载等 提取路径基本上跟我们做的第一个实验是相同的 只是我们这里用到了 交流电源 Sim Power Systems Electrical Sources AC Voltage Source 提取出来的元件的如图2 1所示 图 2 1图 2 2 3 将电路元件模块按单相半波可控整流的原理图连接起来组成仿真电路 将元件调 整的到合适的位置 有些器件需要多次用到的 可以点击该模块 然后按住鼠标右键直接 拖到想要放置的地方就可以实现复制了 连接好的电路如图 2 2 所示 10 2 设置模型参数 根据实验一的方法我们可以双击模块图标弹出的对话框来设置参数 本例中所设置的参数如下 1 交流电压源 电压为 220V 频率为 50Hz 初始相位为 0 度 在电压设置中 要输入的是电压峰值 在该栏中键如 220 sqrt 2 如果在对话框最后的 测量旋转选中电压 voltage 这样电压的数据可以送入多路测量器 Multimeter 这里我们不用设置这个 因为我们直接用了示波器进行观察 波形 2 晶闸管的参数我们采用了默认的参数 也可以另外设置 3 负载 RLC 当负载是电阻负载时 R 1 H 0 C inf 无穷大 4 负载 RLC 为电阻电感负载时 R 1 H 0 01 C inf 关于负载的参数 这里是没有一定的规定的 可以根据需要修改 3 仿真参数的设置 本例中我们设置仿真的终止时间为 0 1S 算法 ode23tb 通过仿真 我们 给出几个特殊角度的波形图 电阻负载 30 度电阻负载 60 度电阻负载 90 度 电阻电感 30 度 电阻电感 60 度 电阻电感 90 度 11 到这里 我们基本上可以把单相半波可控整流的各个波形仿真出来了 观察波形 跟我 们在实验室用示波器看到的还是基本上一致的 实验三 单相桥式半控整流电路 电阻负载 一 仿真步骤 1 启动 MATLAB 进入 SIMULINK 后新建一个仿真模型的新文件 在这里可以任意添加 电路元器件模块 然后对照电路系统模型 依次往文档中添加相应的模块 在此实验中 我们按下表添加模块 序号元器件名称提取元器件位置数量 1交流电源Simpowersystems Electrical Sourse AC Voltage sourse1 2脉冲触发器Simulink Sources Pulse Generator2 3晶闸管模型Simpowersystems Power Electronics Detailed Thyristor2 4二极管模型Simpowersystems Power Electronics Diode2 5电流表模型Simpowersystems Measurements Current Measurement1 6电压表模型Simpowersystems Measurements Voltage Measurement2 7信号分解模型Simulink Signal Routing Demus1 8RLC 串联电路Simpowersystems Elements Series RLC Branch1 9示波器模型Simulink Sinks Scope1 2 添加好模块后 要对各元器件进行布局 一个良好的布局面板 更有利于阅读系统模型 及方便调试 12 图 3 1 3 设置模块参数 依次双击各模块 在出现的对话框内设置相应的参数 1 交流电源参数设置 电压设置为 220V 频率设为 50Hz 其它默认 图 3 2 2 脉冲触发器设置 振幅 amplitude 设为 5 周期 Period 设为 0 02 秒 脉冲宽度 pulse width 设为 2 相位延迟角 phase delay 即触发角 它的设置在调试时需要修 改 以实现在不同角度触发时 观测电路各变量的波形的变化 因为它是以秒为单位 故 需把角度换算成秒 其计算可按以下公式 t T 360 例如触发角 45 度 周期 T 0 02 则 t 0 0025 则此空中应填入 0 0025 图 3 3 13 第二个触发器的设置只需触发角比第一个大 180 度 即加上 0 01 其它不变 3 示波器的设置 双击示波器 弹出示波器面板 在第一排控件栏中单击第二个控件 弹 出参数设置窗口 如下所示 图 3 4 把坐标系数目设为 7 其它不必修改 Time range 是横坐标设置 4 模型仿真 在模型仿真时要先设置仿真参数 仿真参数的设置与实验一相同 设置好后 即可开始仿真 点击开始控件 仿真完成后就可以通过示波器来观察仿真的结果 以下是分别在 0 度 30 度 45 度 60 度时的仿真结果 0 度 30 度 14 45 度 60 度 电阻电感负载 带电阻电感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本相同 但须将 RLC 的串联分支设 置为电阻电感负载 本例中设置的电阻 R 1 L 0 01H 电容为 inf 电阻电感负载分别在 0 度 30 度 45 度 60 度时的仿真结果 15 0 度 30 度 45 度 60 度 16 实验四 单相桥式全控整流 电阻负载 一 仿真步骤 1 启动 MATLAB 进入 SIMULINK 后新建一个仿真模型的新文件 并布置好各元器件 如下图所示 图 4 1 2 参数设置 各模块参数的设置基本与上一实验相同 但要注意触发脉冲的给定 互为对角的两个示波 器的控制角设置必须相同 否则就会烧坏晶闸管 17 二 模型仿真 设置好后 即可开始仿真 点击开始控件 仿真完成后就可以通过示波器来观察仿真的结 果 以下是分别在 0 度 30 度 45 度 60 度时的仿真结果 0 度 30 度 45 度 60 度 18 电阻电感负载 带电阻电感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本相同 但须将 RLC 的串联分支设 置为电阻电感负载 本例中设置的电阻 R 1 L 0 01H 电容为 inf 电阻电感负载分别在 0 度 30 度 45 度 60 度时的仿真结果 0 度 30 度 45 度 60 度 19 实 实验五 三相半波整流电路 电阻负载 一 仿真步骤 1 启动 MATLAB 进入 SIMULINK 后新建一个仿真模型的新文件 并布置好各元器件 如下图所示 图 6 1 2 参数设置 电源参数设置 电压设置为 380V 频率设为 50Hz 要注意初相角的设置 a 相的电压源 设为 0 b 相的电压源设为 120 c 相的电压源设为 240 负载参数设置 电阻设为 1 电感为 0 电容无穷大 inf 脉冲参数设置 触发信号的参数设置是本例的难点 本例中有三个触发脉冲 由电路原理 可知触发角依次相差 120 度 因为电源电压频率为 50Hz 故周期设置为 0 02s 脉宽可设 为 2 振幅设为 5 延迟角的设置要特别注意 在三相电路中 触发延时时间并不是直接从 a 换算过来 由于 a 角的零位定在自然换相角 所以在计算相位延时时间时要增加 30 度相 位 因此当 a 0 度时 延时时间应设为 0 0033 其计算可按以下公式 20 t 30 T 360 触发角 a 0 度时 延迟角依次设置为 0 00167 0 00837 0 01507 触发角 a 30 度时 延迟角依次设置为 0 0033 0 01 0 0167 触发角 a 45 度时 延迟角依次设置为 0 00417 0 01087 0 01757 触发角 a 60 度时 延迟角依次设置为 0 005 0 0117 0 0184 晶闸管参数设置 图 6 2 二 模型仿真 设置好后 即可开始仿真 选择算法为 ode23tb stop time 设为 0 1 点击开始控件 仿 真完成后就可以通过示波器来观察仿真的结果 以下是分别在 0 度 30 度 45 度 60 度时的仿真结果 0 度 30 度 21 45 度 60 度 电阻电感负载 带电阻电感性负载的仿真与带电阻性负载的仿真方法基本相同 但须将 RLC 的串联分支设 置为电阻电感负载 本例中设置的电阻 R 1 L 0 01H 电容为 inf 电阻电感负载分别在 0 度 30 度 45 度 60 度时的仿真结果 22 0 度 30 度 45 度 60 度 23 实验六 三相桥式半控整流电路 三相桥式半控整流电路广泛应用于中等容量的整流装置或要求不可逆的电力拖动 中 完整的三相桥式半控整流电路由三个晶闸管和三个二极管 三相电源 触发器等 组成 根据原理图 我们调用出三个电源 三个晶闸管 三个二极管 为了实现仿真 我们还需要调用出触发脉冲 电流表 电压表 信号分解器跟信号合成器 Mux 跟 示波器 各个元器件的模块提取路径跟之前介绍的提取路径一样 提取出来的元件跟 布局如图 7 1 所示 图 7 1 根据原理图 我们连接仿真电路 连接好的电路如图 7 2 所示 24 图 7 2 参数设置 1 电源参数设置 三相电源的电压峰值电压为 380V 可表示为 220 sqrt 2 频率为 50Hz 相位分别为 0 度 120 度 240 度 2 负载参数设置 电阻 R 10 H 0 C inf 电阻电感 R 10 H 0 01 C inf 脉冲参数设置 触发信号的参数设置是本例的难点 本例中有三个触发脉冲 由宽可设为 2 振幅设为 5 延迟角的设置要特别注意 在三相电路中 触发延 时时间并不是直接从 a 换算过来 由于 a 角的零位定在自然换相角 所以在计 算相位延时时间时要增加 30 度相位 因此当 a 0 度时 延时时间应设为 0 0033 其计算可按以下公式 t 30 T 360 触发角 a 0 度时 延迟角依次设置为 0 00167 0 00837 0 01507 触发角 a 30 度时 延迟角依次设置为 0 0033 0 01 0 0167 触发角 a 45 度时 延迟角依次设置为 0 00417 0 01087 0 01757 触发角 a 60 度时 延迟角依次设置为 0 005 0 0117 0 0184 3 晶闸管采用默认的参数设置 4 仿真参数设置 打开设置窗口 选择 ode23tb 算法 将相对误差设置 Le 3 开始 时间为 0 停止时间为 0 05 设置好各个参数后 单击运行按钮 就可以进行仿真了 下面我们给出几个特殊角的 波形 电阻负载 0 度电阻负载 30 度 26 电阻负载 60 度电阻电感负载 60 度 电阻电感负载 0 度 电阻电感负载 30 度 27 本个仿真要注意对脉冲触发时间的设置要准确 而且对示波器的坐标要调整好 实验七 三相桥式全控整流 电阻负载 一 仿真步骤 1 启动 MATLAB 进入 SIMULINK 后新建一个仿真模型的新文件 并布置好各元器件 如下图所示 图 8 1 2 参数设置 电源参数设置 电压设置为 380V 频率设为 50Hz 要注意初相角的设置 a 相的电压源 设为 0 b 相的电压源设为 120 c 相的电压源设为 240 负载参数设置 电阻设为 1 电感为 0 电容无穷大 inf 通用变换器桥的设置 1 模块的功能 通用变换器桥模块是由 6 个功率开关元件组成的桥式通用三相变换器 模块 功率电子元件的类别和变换器的结构可通过对话框进行选择 功率电子元件和变换 器的类型有 Diode 桥 Thyristor 桥 MOSFET Diode 桥 IGBT Diode 桥 Ideal Switch 桥 桥的结构有单相 两相和三相 2 仿真模块的图标 输入和输出 通用变换器桥模块的图标如右 图所示 模块的输入和输出取决于所选择的变换器桥的结构 当 A B C 被选择为输入端 则直流 DC 端就是输出端 当 A B C 被选择为输出端 则直流 DC 端就是输入端 除二极 管桥外 其它桥的 g pulse 输入端可接受来自外部模块的触发信 28 号 3 通用变换器桥仿真模块的参数 本例中个参数设置如下图 图 8 2 4 同步 6 脉冲触发器的参数设置 该模