_电力电子技术_的Matlab_Simulink教学仿真实践_刘桂英

电气电子教学学报

JOURNALOFEEE

Vol.33󰀁No.1Feb.2011

󰀁电力电子技术󰀁的Matlab/Simulink教学仿真实践

刘桂英,粟时平

(长沙理工大学电气与信息工程学院,湖南长沙410004)

摘󰀁要:󰀁电力电子技术󰀁课程具有很强的实用性。课程中介绍的典型的应用电路随着负载和触发移相角的不同其输出端电压电流的波形变化很大,给学生学习带来了一定的难度。本文利用Matlab/Simulink仿真软件强大仿真功能,以课程中的难点和实际中最常用的应用电路为例进行仿真建模和实用分析。教学实践表明,采用这种教学方法可以提高教学质量。关键词:电力电子技术;Matlab/Simulnik;电压型逆变电路中图分类号:G434󰀁󰀁

文献标识码:A󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁文章编号:1008󰀁0686(2011)01󰀁0087󰀁04

SimulationPracticeofMatlab/SimulinkinPowerElectronicTechnologyTeaching

LIUGui󰀁ying,SUShi󰀁ping

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410004,China)

Abstract:PowerElectronicsTechnologycourseishighlypractical.Forsometypicalapplicationcircuitwiththeloadandtriggerdifferentphaseangleshift,itsoutputvoltageandcurrentwaveformshavegreatlychanged.Thisgivesstudentsbringacertaindegreeofdifficulty.Inthispaper,usingfeaturesandpower󰀁fulsimulationcapabilitiesofMatlab/Simulinksimulationsoftware,applicationcircuitsusedasexamples

carryoutsimulationmodelingandpracticeanalysis.Thepracticeshowsthatusingthisteachingmethodcanimproveteachingquality.

Keywords:powerelectronictechnology;Matlab/Simulink;voltageinvertercircuit

0󰀁引言

电力电子技术

[1󰀁3]

整、采用多媒体和传统的教学方法与手段相结合之外,还利用他们已学过的Matlab仿真软件对教材中

广泛应用于电力系统中,如直

一些重点和难点内容进行仿真实践。

Matlab主要包括Matlab和Simulink[4]两大部分。Simulink提供了动态系统建模、分析和仿真的交互环境。Simulink的专用模型库(Blocksets)提供了一些专用元件集。它与Matlab及其工具箱结合使用,可以对连续系统、离散系统、连续和离散混合系统的动态性能进行仿真与分析。电力系统模块

流输电系统、柔性交流输电系统、无功补偿和谐波抑

制、晶闸管控制电抗器、晶闸管投切电容器、静止无功发生器、有源电力滤波器及电能质量的控制等。为适应电力电子技术的发展,在󰀁电力电子技术󰀁课程教学中,根据教学大纲和本院电气工程及其自动化专业学生的具体情况,除了对教材的内容进行调

收稿日期:2010󰀁04󰀁07;修回日期:2010󰀁08󰀁25

基金项目:湖南省普通高等学校教学改革研究项目;长沙理工大学教学改革研究重点项目(编号:JG0801z)

作者简介:刘桂英(19󰀁),女,硕士,副教授,主要从事电能质量监测控制研究和电力电子技术等课程教学工作,E󰀁mail:liuguiy9809@126.com

粟时平(1963󰀁),男,博士,教授,主要从事电能质量监测控制以及无功补偿等研究和电力电子技术、柔性输电技术等课程教学工作,E󰀁mail:suship@126.com

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󰀁󰀁󰀁󰀁电气电子教学学报󰀁󰀁󰀁󰀁第33卷

库(PowerSystemBlockset)涵盖了电路、电力电子和电力系统等基本元件的仿真模型。它包括7个子模块库:电源、基本元件、电机、电力电子、连接、测量和附加模块库。在Simulink运行环境下,用户只需应用鼠标拖放的方式将所需电气元件的模块添加到模型编辑窗口,并将它们连接起来就可以快速地组建仿真模型实现电力系统的计算仿真。Simulink与传统的仿真软件包采用微分方程和差分方程建模相比,具有更直观、方便和灵活的优点。

在󰀁电力电子技术󰀁课程的教学中,我们对桥式可逆斩波电路和三相三电平电压型逆变电路等利用Matlab/Simulink进行建模仿真实践,使学生把所学的理论知识能够与实践结合起来[5,6]。

利用Matlab7.1的Simulink下的CommonlyUsedBlocks、Sources、PowerSystemBlocks等所含的仿真模块可以组建桥式可逆斩波电路和三相三电平电压型逆变电路的仿真模型,以便实现电力变换的仿真。

用2个PWM子模块(图3)和其它模块封装而成的;󰀁双击各元器件,设计各元器件的参数。设桥式可逆斩波电路的直流电源电压E=100V,电阻R=10󰀁,L=100H,R1=1000󰀁,IGBT和DiodeVD1-VD4为Matlab的默认参数;󰀁点击󰀁SimulationParameters󰀁设仿真时间从0~5s,Solver(仿真解算器)设置为ode23,其它为默认参数(也可以另外设置);󰀁启动仿真器,进行模型的仿真。点击新建的qiaoDC/DC所示的黑色箭头图标󰀁󰀁󰀁或者点击Simulation下的Start即可;󰀁分析仿真结果,双击Scope就可得到仿真图形。

1󰀁斩波电路建模仿真实践

斩波电路用于拖动直流电动机时,使电动机既可电动运行,又可再生制动,将能量反馈。在文献[1,3]中,对电流可逆斩波电路的原理进行了分析,并给出了电路工作波形。但当需要电动机进行正、反转以及可电动又可制动的场合,须将两个电流可逆斩波电路组合起来,分别向电动机提供正向和反向电压,成为桥式可逆斩波电路。桥式可逆斩波电路又称H桥DC󰀁DC系统电路,其原理图如图1所示。文献[1]对其原理进行了分析,但没有给出电路转换时的工作波形。

图2󰀁Subsystem模块

图3󰀁PWM子模块

利用Matlab/Simulink可以建立仿真模型并观测电路仿真波形。这样教学就能把主电路和触发信号电路结合起来,在学生有一个整体概念,有利于对其理解。

2󰀁逆变电路建模仿真实践

三相桥式逆变电路经常用于有源电力滤波器、统一潮流控制器、统一电能质量控制器、太阳能风能

图1󰀁桥式可逆斩波电路原理图

发电并网和高压直流输电等中,是实际应用中最多的一种电路,是教学中的重点。电压型三相桥式逆变电路如图4所示。在电压型三相桥式逆变电路中,以N󰀁为参考点,输出相电压有Ud/2和󰀁Ud/2两种电平,称该电路为两电平逆变电路。文献[1,3]对此电路的原理进行了详细分析,并给出了电路逆变时的各种波形。两电平逆变电路的输出线电压有󰀁

为了使学生更好地理解电路的变换过程,提高教学质量,本文利用Matlab/Simulink对该电路进行仿真,其仿真步骤如下:󰀁创建并保存模型文件;

󰀁调用功能模块,按照图1的原理连接起来;󰀁对图1中4个绝缘栅双极型晶体管IGBTV1-V4采用双PWM进行触发。图2所示的Subsystem模块是利

第1期刘桂英,粟时平:󰀁电力电子技术󰀁的Matlab/Simulink教学仿真实践

Ud和0三种电平,uUN中含有大量的谐波,如果能使电压型逆变电路的相电压输出多种电平,就可以使其波形更接近正弦波,谐波比两电平电压型逆变器大大减少。

利用Matlab/Simulink建立的电压型三相三电平桥式逆变电路仿真模型如图6所示,仿真波形如图7所示。可见图中的波形uaa接近正弦波,谐波含量减少;此外负载电压uab也基本接近正弦波形。

图4󰀁电压型三相桥式逆变电路图

为了减少逆变电路输出波形中的谐波含量,使逆变输出波形接近正弦波,同时为了满足大容量装置对逆变电路的需求,可以采用三电平、五电平和七电平等更多电平的逆变电路。

电压型三相三电平逆变电路如图5所示。文献[1]对该图的原理进行了分析,得出三电平电压型逆变电路的输出线电压有󰀁Ud、󰀁Ud/2和0五种电平,三电平电压型逆变电路输出电压谐波可大大少于两电平逆变电路,三电平电压型逆变电路另一突出优点是每个主开关器件承受电压为直流侧电压的一半。但文献[1]中没有给出其变换的波形是不是接近正弦波,谐波是否大大减少。为了验证这一点,我们对图5所示的电路利用Matlab/Simulink进行建模仿真实践。

图6󰀁三相三电平逆变电路仿真模型

图7󰀁三相三电平逆变电路仿真波形

从仿真波形图可以看出,仿真波形与教材上的波形基本相似。改变电路中的参数设置可以使仿真波形改变,但形状基本不变。

3󰀁结语

图5󰀁三相三电平电压型逆变电路图

利用Matlab仿真建模的步骤与上例基本相似:󰀁打开Matlab7.1和Simulink;󰀁在Simulink中点击New󰀁Model新建文件命名为3x3dnb;󰀁根据图6,分别把相关各类模块拷贝到新建的3x3dnb中并按照图6的原理连接起来;󰀁双击各元器件,设两桥式整流电路直流电压Udc为200V;三相负载为1kW、0.5kar,相电压为208V,其他为默认参数。

在󰀁电力电子技术󰀁的教学中,利用Matlab/

Simulink工具箱的通信模块库CommunicationsBlockset及电力系统模块库PowerSystemBlocks󰀁et等,对课程中的难点和重点内容进行建模并仿真实践,教学内容变得直观生动,理论联系了实际。提高了学生的学习积极性和教学质量,达到较好的教学目的。

(下转第92页)

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󰀁󰀁󰀁󰀁电气电子教学学报󰀁󰀁󰀁󰀁第33卷

风能利用系数采用以下方程计算:

C5

C2󰀁

Cp=C1(-C3󰀁-C4)e󰀁i+C6󰀁

i󰀁110.035=-3󰀁i󰀁󰀁+1

其中,C1~C6为取值的系数,对于不同的风力机叶片,该系数不同。对于定桨距风机󰀁=0。

风能利用系数Cp的求解是通过一个封装子系统模块来完成,具体框图如图3所示。该模型是根据上式搭建的。图中,第一个MatlabFunction模块用来计算式中的󰀁i,第二个MatlabFunction模块(Matlab/simulink/User_definedfunction)用来计算上式中的CP。限幅模块使用Saturation(Mat󰀁lab/simulink/discontinuities)。

图4󰀁风力机模型

图5󰀁风力机模型曲线图

图3󰀁求解Cp模型

图4是风力机的仿真模型。其中的Polynomial(Matlab/simulink/mathoperations)用来计算风速的三次方,这是一个多项式计算模块,其输出表达式为y=anxn+an-1xn-1+an-2xn-2+󰀁󰀁+a1x+a0。3.2󰀁实时仿真结果

根据所建立的模型进行实时仿真实验,得到的结果如图5所示,与实物装置真实的曲线完全一致。

参考文献:

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[3]󰀁RT󰀁LAB实时仿真器2008产品目录

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(上接第45页刘󰀁琳等文)

[2]󰀁宗群,宋鼎,王朝阳.电梯远程监控系统的研制[J].北京:仪器

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(上接第页刘桂英等文)

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