Matlab在电力电子技术仿真中的应用

1. 引言

20世纪60年代发展起来的电力电子技术，使电能可以变换和控制，产生了现代各种高效、节能的新型电源和交直流调速装置，为工业生产、交通运输、楼宇、办公、家庭自动化提供了现代化的高新技术。为了更高效的利用电能，不断的有新控制技术和算法出现。那么如何验证这些算法的好坏呢？建立模型仿真是最有效，最经济的一种形式。

在实际的工程应用中，我们要经常需要改善系统的运行性能，提高系统的效益。而系统又通常是复杂的非线性的，在仿真的基础上加以实现就比较容易。电力电子技术仿真的所有元件模型都包含在MATLAB的电力系统模块环境中。在MATLAB提示符下键入powerlib命令。这个命令将打开simulink窗口。同时展示了电力系统模块工具箱中的不同子模块工具箱。在psb中几乎提供了组成电力系统的所有元件，元件模型丰富，包括：同步机，异步机，变压器，直流机，线性和非线性，有名的和标么值系统的，不同仿真精度的设备模型库，单相，三相的分布和集中参数的传输线，单相，三相断路器及各种电力系统的负荷模型，电力半导体器件库以及控制测量环节， 信号显示和模块连接等一般可以在simulink工具箱中找到。

2. 电力电子变流技术——三相全桥整流仿真

2.1整流器件

晶闸管及电力晶体管等是主要的电力电子器件，也就是说没有这些器件就没有电力电子技术，电力电子技术的核心是电力变换也就是变流技术。通过对晶闸管等器件的控制从而实现电力变换。

晶闸管整流是电力电子技术中最基础的变流技术，通过它可以实现电流从交流到直流的变换。在MATLAB仿真中可以由SimPowersystem模块中提供的电力电子模块PowerElectronic中的Thyristor来提供仿真模块实现。

2.2 模型建立

三相桥式整流电路是电力电子变流技术中非常重要的一个功能，它不仅可以将交流电压转换成直流电压，以用作直流电动机的直流电源，还可调节电动机电枢电压以进行电动机的调速。在电力电子变流电路中，三相桥式整流电路应用十分广泛，鉴于它在工业应用中的广泛性，这里以一，这里以一个带感性负荷的三相桥式整流电路为例，介绍如何运用Matlab／Simulink对它进行仿真。三相桥式整流电路的原理图如图一所示：



 图一：三相桥式整流电路原理图

根据原理可以利用Simulink内的模块建立图二所示的仿真模型。设置三个交流电压源Va、Vb、Vc相角依次相差120，得到整流桥的三相电源。用6个Thyristor构成整流桥，实现交流电压到直流电压的转换。6 pulse convertor产生整流桥的触发脉冲。6个pulse convertor从上到下分别给1到6号晶闸管触发脉冲。

2．2 参数设置

2．2．1 触发脉冲的设置

给图二中的每个脉冲发生器(pulse generator)设合理的参数，从而获得三相整流桥所要求的触发脉冲。以使得触发角为30。为例，参数设置如下：

A、周期（s）0．02

B、脉冲占空比 25%

C、幅值 0．1

每个脉冲发生器这几项的参数设置均相同，不同之处在于开始时间start time的设置，这一参数用于设定触发角。为获得30。的触发角，可以设定脉冲发生器1的start time 为0．02／12+0．02／12。第i个 脉冲发生器(i=2，．．．，6)为0．02／12+0．02／12+0．02(i-1)／6。使得每个触发脉冲相差60度，实现整流触发。



 图二 仿真模型

2．2．2 设置晶闸管的参数

电路工作正常时，6个晶闸管的参数设置：

电阻 0.1

电感 10e-6

直流电压源电压： 0

初始电流 0

缓冲电阻 103

缓冲电容 0.1e-6

2.2.3三相交流电源及负载设置

三相交流电源参数及负载参数设置如下：

负载参数设置如下：（阻感负载）

电阻 0.2

电感 20e-3

电容 inf（使电源为感性）

3 仿真结果分析

3.1正常情况下的仿真

首先对建立的正常情况下的仿真模型进行仿真，其仿真参数设置为：

开始时间： 0.04s（晶闸管第一次触发时间）；

停止时间： 0.2s；

仿真算法： 可变步长的数值微分公式算法。

　运行仿真程序可以得到正常的仿真波形如图三所示：



 图三 正常的电压仿真波形

3.2故障波形仿真

晶闸管出现故障的几率较大，共有四种故障分别为：



3.3 仿真结果分析：

观察以上波形，对应图(a)正常工作时，每个周期(T=O．02s)连续输出6个波头，每个波头均为60度。图(a)每个周期连续少两个波头，两个波头为120度。由于正常工作时每个桥臂导通120度，因此可判定图(a)对应为有一个桥臂不导通，即有一个晶闸管发生故障。图(b)每个半周期有一个波头，再连续少两个，一个周期共少了4个波头，三相桥式电路应输出6个波头，不难看出此时只有两相导电，另一相的两个桥臂不通，即接在同一相的两个晶闸管故障。图(c)每个周期有两个连续波头，接着少了4个连续波头，由于正常情况时输出电压波形6个波头的顺序可判定接在同一半桥的两个桥臂不导通。图(d)每个周期连续输出3个波头，接着连续少了3个波头，容易得出该图对应不同相的交叉的两个晶闸管故障。可见由波形得到故障形式与设定故障形式得到仿真波形的结果是一致的。

同时，还可以利用触发脉冲参数的改变仿真不同负载与不同触发角情况下的波形，通过对电压波形的分析，我们可以了解三相全控桥的故障状态从而及时的发现与解决故障。

4 总结

通过对电力电子技术中最有代表作用的三相全控桥的仿真实现，可以看出利用matlab中的powerlib工具箱对可以对电力电子技术仿真具产生极大的现实价值，为电力电子设备的开发提供有力的帮助。