Matlab在電力電子技術(shù)仿真中的應(yīng)用

1. 引言

20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的電力電子技術(shù)，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(yùn)輸、樓宇、辦公、家庭自動(dòng)化提供了現(xiàn)代化的高新技術(shù)。為了更高效的利用電能，不斷的有新控制技術(shù)和算法出現(xiàn)。那么如何驗(yàn)證這些算法的好壞呢？建立模型仿真是最有效，最經(jīng)濟(jì)的一種形式。

在實(shí)際的工程應(yīng)用中，我們要經(jīng)常需要改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能，提高系統(tǒng)的效益。而系統(tǒng)又通常是復(fù)雜的非線性的，在仿真的基礎(chǔ)上加以實(shí)現(xiàn)就比較容易。電力電子技術(shù)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(gè)命令將打開(kāi)simulink窗口。同時(shí)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(jī)，異步機(jī)，變壓器，直流機(jī)，線性和非線性，有名的和標(biāo)么值系統(tǒng)的，不同仿真精度的設(shè)備模型庫(kù)，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(fù)荷模型，電力半導(dǎo)體器件庫(kù)以及控制測(cè)量環(huán)節(jié)， 信號(hào)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(shù)——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(shuō)沒(méi)有這些器件就沒(méi)有電力電子技術(shù)，電力電子技術(shù)的核心是電力變換也就是變流技術(shù)。通過(guò)對(duì)晶閘管等器件的控制從而實(shí)現(xiàn)電力變換。

晶閘管整流是電力電子技術(shù)中最基礎(chǔ)的變流技術(shù)，通過(guò)它可以實(shí)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(lái)提供仿真模塊實(shí)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(shù)中非常重要的一個(gè)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(dòng)機(jī)的直流電源，還可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)電樞電壓以進(jìn)行電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。在電力電子變流電路中，三相橋式整流電路應(yīng)用十分廣泛，鑒于它在工業(yè)應(yīng)用中的廣泛性，這里以一，這里以一個(gè)帶感性負(fù)荷的三相橋式整流電路為例，介紹如何運(yùn)用Matlab／Simulink對(duì)它進(jìn)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(shè)置三個(gè)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(gè)Thyristor構(gòu)成整流橋，實(shí)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(gè)PULSE convertor從上到下分別給1到6號(hào)晶閘管觸發(fā)脈沖。

2．2 參數(shù)設(shè)置

2．2．1 觸發(fā)脈沖的設(shè)置

給圖二中的每個(gè)脈沖發(fā)生器(pulse generator)設(shè)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(shè)置如下：

　　A、周期（s）0．02

　　B、脈沖占空比 25%

　　C、幅值 0．1

每個(gè)脈沖發(fā)生器這幾項(xiàng)的參數(shù)設(shè)置均相同，不同之處在于開(kāi)始時(shí)間start time的設(shè)置，這一參數(shù)用于設(shè)定觸發(fā)角。為獲得30。的觸發(fā)角，可以設(shè)定脈沖發(fā)生器1的start time 為0．02／12+0．02／12。第i個(gè) 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(gè)觸發(fā)脈沖相差60度，實(shí)現(xiàn)整流觸發(fā)。

圖二 仿真模型

2．2．2 設(shè)置晶閘管的參數(shù)

電路工作正常時(shí)，6個(gè)晶閘管的參數(shù)設(shè)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(fù)載設(shè)置

三相交流電源參數(shù)及負(fù)載參數(shù)設(shè)置如下：

負(fù)載參數(shù)設(shè)置如下：（阻感負(fù)載）

電阻 0.2

電感 20e-3

電容 inf（使電源為感性）

3 仿真結(jié)果分析

3.1正常情況下的仿真

首先對(duì)建立的正常情況下的仿真模型進(jìn)行仿真，其仿真參數(shù)設(shè)置為：

開(kāi)始時(shí)間： 0.04s（晶閘管第一次觸發(fā)時(shí)間）；

停止時(shí)間： 0.2s；

仿真算法： 可變步長(zhǎng)的數(shù)值微分公式算法。

運(yùn)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(jié)果分析：

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

同時(shí)，還可以利用觸發(fā)脈沖參數(shù)的改變仿真不同負(fù)載與不同觸發(fā)角情況下的波形，通過(guò)對(duì)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(shí)的發(fā)現(xiàn)與解決故障。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)電力電子技術(shù)中最有代表作用的三相全控橋的仿真實(shí)現(xiàn)，可以看出利用matlab中的powerlib工具箱對(duì)可以對(duì)電力電子技術(shù)仿真具產(chǎn)生極大的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，為電力電子設(shè)備的開(kāi)發(fā)提供有力的幫助。