Matlab在電力電子技術仿真中的應用

1. 引言

20世紀60年代發(fā)展起來的電力電子技術，使電能可以變換和控制，產(chǎn)生了現(xiàn)代各種高效、節(jié)能的新型電源和交直流調(diào)速裝置，為工業(yè)生產(chǎn)、交通運輸、樓宇、辦公、家庭自動化提供了現(xiàn)代化的高新技術。為了更高效的利用電能，不斷的有新控制技術和算法出現(xiàn)。那么如何驗證這些算法的好壞呢？建立模型仿真是最有效，最經(jīng)濟的一種形式。

在實際的工程應用中，我們要經(jīng)常需要改善系統(tǒng)的運行性能，提高系統(tǒng)的效益。而系統(tǒng)又通常是復雜的非線性的，在仿真的基礎上加以實現(xiàn)就比較容易。電力電子技術仿真的所有元件模型都包含在MATLAB的電力系統(tǒng)模塊環(huán)境中。在MATLAB提示符下鍵入powerlib命令。這個命令將打開simulink窗口。同時展示了電力系統(tǒng)模塊工具箱中的不同子模塊工具箱。在psb中幾乎提供了組成電力系統(tǒng)的所有元件，元件模型豐富，包括：同步機，異步機，變壓器，直流機，線性和非線性，有名的和標么值系統(tǒng)的，不同仿真精度的設備模型庫，單相，三相的分布和集中參數(shù)的傳輸線，單相，三相斷路器及各種電力系統(tǒng)的負荷模型，電力半導體器件庫以及控制測量環(huán)節(jié)， 信號顯示和模塊連接等一般可以在simulink工具箱中找到。

2. 電力電子變流技術——三相全橋整流仿真

2.1整流器件

晶閘管及電力晶體管等是主要的電力電子器件，也就是說沒有這些器件就沒有電力電子技術，電力電子技術的核心是電力變換也就是變流技術。通過對晶閘管等器件的控制從而實現(xiàn)電力變換。

晶閘管整流是電力電子技術中最基礎的變流技術，通過它可以實現(xiàn)電流從交流到直流的變換。在MATLAB仿真中可以由SimPowersystem模塊中提供的電力電子模塊PowerElectronic中的Thyristor來提供仿真模塊實現(xiàn)。

2.2 模型建立

三相橋式整流電路是電力電子變流技術中非常重要的一個功能，它不僅可以將交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，以用作直流電動機的直流電源，還可調(diào)節(jié)電動機電樞電壓以進行電動機的調(diào)速。在電力電子變流電路中，三相橋式整流電路應用十分廣泛，鑒于它在工業(yè)應用中的廣泛性，這里以一，這里以一個帶感性負荷的三相橋式整流電路為例，介紹如何運用Matlab／Simulink對它進行仿真。三相橋式整流電路的原理圖如圖一所示：

圖一：三相橋式整流電路原理圖

根據(jù)原理可以利用Simulink內(nèi)的模塊建立圖二所示的仿真模型。設置三個交流電壓源Va、Vb、Vc相角依次相差120，得到整流橋的三相電源。用6個Thyristor構成整流橋，實現(xiàn)交流電壓到直流電壓的轉(zhuǎn)換。6 pulse convertor產(chǎn)生整流橋的觸發(fā)脈沖。6個PULSE convertor從上到下分別給1到6號晶閘管觸發(fā)脈沖。

2．2 參數(shù)設置

2．2．1 觸發(fā)脈沖的設置

給圖二中的每個脈沖發(fā)生器(pulse generator)設合理的參數(shù)，從而獲得三相整流橋所要求的觸發(fā)脈沖。以使得觸發(fā)角為30。為例，參數(shù)設置如下：

　　A、周期（s）0．02

　　B、脈沖占空比 25%

　　C、幅值 0．1

每個脈沖發(fā)生器這幾項的參數(shù)設置均相同，不同之處在于開始時間start time的設置，這一參數(shù)用于設定觸發(fā)角。為獲得30。的觸發(fā)角，可以設定脈沖發(fā)生器1的start time 為0．02／12+0．02／12。第i個 脈沖發(fā)生器(i=2，．．．，6)為0．02／12+0．02／12+0．02(i-1)／6。使得每個觸發(fā)脈沖相差60度，實現(xiàn)整流觸發(fā)。

圖二 仿真模型

2．2．2 設置晶閘管的參數(shù)

電路工作正常時，6個晶閘管的參數(shù)設置：

電阻 0.1

電感 10e-6

直流電壓源電壓： 0

初始電流 0

緩沖電阻 103

緩沖電容 0.1e-6

2.2.3三相交流電源及負載設置

三相交流電源參數(shù)及負載參數(shù)設置如下：

負載參數(shù)設置如下：（阻感負載）

電阻 0.2

電感 20e-3

電容 inf（使電源為感性）

3 仿真結果分析

3.1正常情況下的仿真

首先對建立的正常情況下的仿真模型進行仿真，其仿真參數(shù)設置為：

開始時間： 0.04s（晶閘管第一次觸發(fā)時間）；

停止時間： 0.2s；

仿真算法： 可變步長的數(shù)值微分公式算法。

運行仿真程序可以得到正常的仿真波形如圖三所示：

圖三 正常的電壓仿真波形

3.2故障波形仿真

晶閘管出現(xiàn)故障的幾率較大，共有四種故障分別為：

3.3 仿真結果分析：

觀察以上波形，對應圖(a)正常工作時，每個周期(T=O．02s)連續(xù)輸出6個波頭，每個波頭均為60度。圖(a)每個周期連續(xù)少兩個波頭，兩個波頭為120度。由于正常工作時每個橋臂導通120度，因此可判定圖(a)對應為有一個橋臂不導通，即有一個晶閘管發(fā)生故障。圖(b)每個半周期有一個波頭，再連續(xù)少兩個，一個周期共少了4個波頭，三相橋式電路應輸出6個波頭，不難看出此時只有兩相導電，另一相的兩個橋臂不通，即接在同一相的兩個晶閘管故障。圖(c)每個周期有兩個連續(xù)波頭，接著少了4個連續(xù)波頭，由于正常情況時輸出電壓波形6個波頭的順序可判定接在同一半橋的兩個橋臂不導通。圖(d)每個周期連續(xù)輸出3個波頭，接著連續(xù)少了3個波頭，容易得出該圖對應不同相的交叉的兩個晶閘管故障。可見由波形得到故障形式與設定故障形式得到仿真波形的結果是一致的。

同時，還可以利用觸發(fā)脈沖參數(shù)的改變仿真不同負載與不同觸發(fā)角情況下的波形，通過對電壓波形的分析，我們可以了解三相全控橋的故障狀態(tài)從而及時的發(fā)現(xiàn)與解決故障。

4 總結

通過對電力電子技術中最有代表作用的三相全控橋的仿真實現(xiàn)，可以看出利用matlab中的powerlib工具箱對可以對電力電子技術仿真具產(chǎn)生極大的現(xiàn)實價值，為電力電子設備的開發(fā)提供有力的幫助。