計算機(jī)仿真技術(shù)與CAD-基于MATLAB的電氣工程（第2版） 課件 第7章MATLAB在電力電子變流中的應(yīng)用

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本章內(nèi)容

電力電子器件模型；整流電路；逆變電路；直流-直流變流電路；交流-交流變流電路。第7章MATLAB在電力電子變流中的應(yīng)用2

在MATLAB中，Simulink環(huán)境下的SimscapeElectrical組件庫（前身為SimPowerSystems和SimElectronics，可提供用于電子、機(jī)電與電力系統(tǒng)建模及仿真的組件庫)中包含了常用的電力電子器件模型、整流電路模塊、逆變電路模塊以及相應(yīng)的觸發(fā)模塊，使用這些模塊可以方便地構(gòu)建電力電子電路并進(jìn)行仿真。本章介紹紹常用電力電子器件的MATLAB仿真模型及其參數(shù)設(shè)置方法，以及幾種常用電力電子變換電路的MATLAB仿真模型構(gòu)建方法和仿真分析方法。37.1電力電子器件模型

電力電子器件是構(gòu)成電力電子變流電路的核心單元。MATLAB電力電子器件模型使用簡化的宏模型，其外特性與實(shí)際器件的特性相符，但并沒有考慮器件內(nèi)部的細(xì)微結(jié)構(gòu)，其模型較為簡單。電力電子器件在使用時一般都并聯(lián)有RC緩沖電路，MATLAB電力電子器件模型也已經(jīng)并聯(lián)了簡單的RC串聯(lián)緩沖電路，緩沖電路的RC值可以在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置，較復(fù)雜的緩沖電路需要另外建立。本節(jié)介紹幾種常用電力電子器件的仿真模型和參數(shù)設(shè)置方法。4

二極管（Diode）是一種具有單向?qū)щ娦缘陌雽?dǎo)體器件，即正向?qū)?，反向截止，屬于不可控器件。其陽極標(biāo)識符號為a，陰極標(biāo)識符號為k，其符號如圖7-1（a）所示。7.1.1二極管

1.二極管5

在MATLAB中，二極管的仿真模型采用如圖7-1（b）所示的圖標(biāo)，可通過參數(shù)設(shè)置來區(qū)分不同種類的二極管。由圖7-1（b）中，二極管輸入端為陽極a，輸出端為陰極k，m為測量端子。其中，測量端子m用于測量二極管的電流和電壓向量[Iak，Vak]。二極管仿真模型內(nèi)部并聯(lián)了一個Rs-Cs串聯(lián)緩沖電路，當(dāng)緩沖電阻設(shè)置為inf，或?qū)⒕彌_電容設(shè)置為0時，則二極管模型取消緩沖電路部分；如果緩沖電阻不為0時，設(shè)置緩沖電容inf，則為純電阻緩沖電路。2.二極管仿真模型6

二極管仿真模型的參數(shù)設(shè)置對話框如圖7-2所示。其主要參數(shù)有：ResistanceRon（ohms）（二極管導(dǎo)通電阻（?））、InductanceLon（H）（二極管導(dǎo)通電感（H））、ForwardvoltageVf（V）（二極管正向?qū)▔航担╒））、InitialcurrentIc（A）（初始電流（A））、SnubberresistanceRs（ohms）和SnubbercapacitanceCs（F）（二極管吸收電阻（?）和二極管吸收電容（F））。3.二極管仿真模型參數(shù)設(shè)置7

晶閘管（Thyristor）是一種由門極信號控制其開通的半導(dǎo)體器件，屬于半控型器件。其陽極、陰極、門極標(biāo)識符號分別為a、k、g，其元件符號如圖7-3（a）所示。當(dāng)晶閘管兩端正向電壓Vak大于正向?qū)▔航礦f，且門極觸發(fā)脈沖為正（g>0）時，晶閘管導(dǎo)通，該觸發(fā)脈沖的幅值必須大于0且有一定的持續(xù)時間，以保證晶閘管陽極電流大于擎住電流。當(dāng)晶閘管陽極電流下降到0，且承受反向電壓的時間大于晶閘管的關(guān)斷時間Tq時，晶閘管關(guān)斷。7.1.2晶閘管

1.晶閘管8

在MATLAB中，所有晶閘管的仿真模型均采用如圖7-3（b）所示的圖標(biāo)。該模型有兩個輸入端和兩個輸出端。其中，a為陽極，b為陰極，g為門極，m為測量輸出向量端[Iak，Vak]，輸出晶閘管的電流和電壓值。模型中晶閘管兩端并聯(lián)了Rs-Cs串聯(lián)緩沖電路，其含義和設(shè)置方法同二極管。需要說明的是，PowerElectronics（電力電子器件）模塊庫中，提供了DetailedThyristor（詳細(xì)的晶閘管模型）和Thyristor（晶閘管模型）兩種模型，二者區(qū)別在于DetailedThyristor（詳細(xì)的晶閘管模型）增加了三個參數(shù)：初始電流Ic、擎住電流Il和關(guān)斷時間Tq。2.晶閘管的仿真模型

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以DetailedThyristor（詳細(xì)的晶閘管模型）為例，仿真模型的參數(shù)設(shè)置對話框如圖7-4所示。其主要參數(shù)有：ResistanceRon（ohms）（晶閘管導(dǎo)通電阻（?））、InductanceLon（H）（晶閘管導(dǎo)通電感（H））、ForwardvoltageVf（V）（晶閘管正向?qū)▔航担╒））、InitialcurrentIc（A）（初始電流（A））、SnubberresistanceRs（ohms）和SnubbercapacitanceCs（F）（晶閘管吸收電阻（?）和晶閘管吸收電容（F））、LatchingcurrentIl（A）和Turn-offtimeTq（s）（擎住電流（A）和關(guān)斷時間（s））3.晶閘管仿真模型的參數(shù)設(shè)置10

門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）是一種由門極信號控制其開通和關(guān)斷的半導(dǎo)體器件，屬于全控型器件。其陽極、陰極、門極標(biāo)識符號分別為a、k、g，其元件符號如圖7-5（a）所示。當(dāng)晶閘管兩端正向電壓Vak大于正向?qū)▔航礦f，且門極觸發(fā)脈沖為正（g>0）時，晶閘管導(dǎo)通；該觸發(fā)脈沖的幅值必須大于0且有一定的持續(xù)時間，以保證晶閘管陽極電流大于擎住電流。當(dāng)門極信號為0或負(fù)時，GTO電流Iak開始衰減，且電流衰減過程被近似分為兩段。當(dāng)門極信號變?yōu)?后，電流Iak開始從最大值Imax減小到Imax/10所經(jīng)過的時間為下降時間Tf；Iak從Imax/10下降到0所需要的時間為拖尾時間Tt，當(dāng)電流Iak變?yōu)?時，GTO完全關(guān)斷。7.1.3門極可關(guān)斷晶閘管

1.門極可關(guān)斷晶閘管11GTO在MATLAB中的仿真模型的圖標(biāo)如圖7-5（b）所示。該模型有兩個輸入端和兩個輸出端。其中，a為陽極，b為陰極，g為門極，m為測量輸出向量端[Iak，Vak]，輸出晶閘管的電流和電壓值。模型中GTO兩端并聯(lián)了Rs-Cs串聯(lián)緩沖電路，其含義和設(shè)置方法同二極管。2.GTO仿真模型

12GTO仿真模型的參數(shù)設(shè)置對話框如圖7-6所示。其主要參數(shù)有其主要參數(shù)有：ResistanceRon（ohms）（GTO導(dǎo)通電阻（?））、InductanceLon（H）（GTO導(dǎo)通電感（H））、ForwardvoltageVf（V）（GTO正向?qū)▔航担╒））、InitialcurrentIc（A）（初始電流（A））、SnubberresistanceRs（ohms）和SnubbercapacitanceCs（F）（GTO吸收電阻（?）和GTO吸收電容（F））3.GTO仿真模型的參數(shù)設(shè)置13

絕緣柵雙極晶體管（IGBT）是一種由柵極信號控制其開通和關(guān)斷的半導(dǎo)體器件，屬于全控型器件。IGBT也是三端器件，具有集電極c，發(fā)射機(jī)e，柵極g，其元件符號如圖7-7（a）所示。當(dāng)IGBT集電極c和發(fā)射極e大于正向?qū)▔航礦f，且柵極施加正信號（g>0）時，IGBT導(dǎo)通；當(dāng)柵極信號為0（g=0）時，IGBT關(guān)斷。7.1.4絕緣柵雙極晶體管

1.絕緣柵雙極晶體管14IGBT在MATLAB中的仿真模型的圖標(biāo)如圖7-7（b）所示。該模型有兩個輸入端和兩個輸出端。其中，c為集電極，e為陰極，g為門極，m為測量輸出向量端[Ice，Vce]，輸出IGBT的電流和電壓值。模型中GTO兩端并聯(lián)了Rs-Cs串聯(lián)緩沖電路，其含義和設(shè)置方法同二極管。需要說明的是，PowerElectronics（電力電子器件）模塊庫中，提供了IGBT（沒有反并聯(lián)續(xù)流二極管）和IGBT/Diode（反并聯(lián)續(xù)流二極管）兩種模型。2.IGBT仿真模型15

以沒有反并聯(lián)續(xù)流二極管IGBT為例，IGBT仿真模型的參數(shù)設(shè)置對話框如圖7-8所示。其主要參數(shù)有：ResistanceRon（ohms）（IGBT導(dǎo)通電阻（?））、InductanceLon（H）（IGBT導(dǎo)通電感（H））、ForwardvoltageVf（V）（IGBT正向?qū)▔航担╒））、InitialcurrentIc（A）（初始電流（A））、SnubberresistanceRs（ohms）和SnubbercapacitanceCs（F）（IGBT吸收電阻（?）和吸收電容（F））3.IGBT仿真模型的參數(shù)設(shè)置167.2整流電路

整流電路就是將交流電能變?yōu)橹绷麟娔芄┙o直流用電設(shè)備。常用的整流器包括單相整流器和三相整流器，都可以使用SimscapeElectrical組件庫中的二極管、晶閘管、GTO或IGBT等器件模型構(gòu)建仿真電路模型。三相整流器還可以采用通用電橋（UniversalBridge）模塊和同步6脈沖發(fā)生器(PulseGenerator(Thyristor,6-Pulse))模塊來構(gòu)建三相整流電路。本節(jié)主要介紹常用的單相和三相整流電路的仿真。17

單相半波可控整流電路原理圖如圖7-9所示。7.2.1單相半波可控整流電路

1.電氣原理結(jié)構(gòu)圖18

在Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖7-9所示的原理圖，采用SimscapeElectrical組件庫搭建的單相半波可控整流電路的仿真模型如圖7-10所示。仿真模型主要由交流電壓源、晶閘管、脈沖信號發(fā)生器、負(fù)載電阻構(gòu)成。2.仿真模型及參數(shù)設(shè)置19

在Simulink模型窗口中單擊菜單調(diào)試/診斷/Simulink診斷，彈出如圖7-11所示的系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置對話框。

3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果20

根據(jù)MATLAB幫助系統(tǒng)給出的建議，對于含有二極管、晶閘管、GTO、IGBT等元件的電路仿真系統(tǒng)而言，為提高運(yùn)算精度和運(yùn)算速度，應(yīng)采用適合于剛性問題的算法，比如ode23tb，并將相對容差設(shè)定為1e-4。本例題將仿真開始時間設(shè)置為0，停止時間Stoptime設(shè)置為0.1。其他參數(shù)為默認(rèn)值。在Simulink模型窗口中單擊仿真菜單欄的運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)開始仿真。仿真結(jié)果如圖7-12所示。21

三相橋式全控整流電路的原理圖如圖7-13所示。7.2.2三相橋式全控整流電路

1.電氣原理結(jié)構(gòu)圖22

整流橋是交-直流變換的核心單元。MATLAB中已經(jīng)設(shè)計了一個名稱為UniversalBridge(Simscape/Electrical/SpecializedPowerSystems/PowerElectronics/UniversalBridge)的通用橋模塊，如圖7-14所示。2.整流橋仿真模型23

以晶閘管整流橋?yàn)槔?，其參?shù)設(shè)置對話框如圖7-15所示。主要參數(shù)有：Numberofbridgearms（整流橋模塊橋臂數(shù)量）、SnubberresistanceRs（ohms）和SnubbercapacitanceCs（F）（晶閘管吸收電阻（?）和晶閘管吸收電容（F））、PowerElectronicdevice（器件類型選擇）、Ron（ohms）（模塊導(dǎo)通電阻（?））、Lon（H）（模塊導(dǎo)通電感（H））、ForwardvoltageVf（V）（模塊正向?qū)▔航担╒））、Measurements（可通過Multimeter（萬用表）測量的物理量選項）。3.整流橋仿真模型參數(shù)設(shè)置24

同步6脈沖發(fā)生器模塊可用于觸發(fā)三相全控整流橋的6個晶閘管。同步6脈沖發(fā)生器(Simscape/Electrical/SpecializedPowerSystems/PowerElectronics/PowerElectronicsControl/PulseGenerator(Thyristor,6-Pulse))的仿真模型如圖7-16所示。4.同步6脈沖發(fā)生器仿真模型

同步6脈沖發(fā)生器共有3個輸入端和1個輸出端。其中，wt為從鎖相環(huán)同步系統(tǒng)中主變壓器A相電壓相位的輸入端；alpha_deg為脈沖觸發(fā)相位角α輸入端；Block為發(fā)生器控制端，當(dāng)輸入為0時發(fā)生器正常工作，輸入大于0時發(fā)生器不工作。25

同步6脈沖發(fā)生器的參數(shù)設(shè)置對話框如圖7-17所示。主要參數(shù)有：Generatortype（發(fā)生器類型）、Pulsewidth（deg）（脈沖寬度（角度））、Doublepulsing（雙脈沖）、Sampletime（采樣時間）。5.同步6脈沖發(fā)生器仿真模型的參數(shù)設(shè)置26

在Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖7-13所示的原理圖，采用電力電子模塊庫(PowerElectronics)中的通用橋模塊（UniversalBridge）搭建的三相橋式全控整流電路仿真模型如圖7-18所示。仿真模型主要由交流電壓源、通用橋模塊、同步6脈沖發(fā)生器模塊、負(fù)載電阻構(gòu)成。6.仿真模型27

打開系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置對話框，選擇ode23tb，并將相對容差設(shè)定為1e-4；仿真起止時間設(shè)定為0~0.04s，其他參數(shù)為默認(rèn)值。本例將負(fù)載電阻設(shè)定為10?，在simulink模型窗口中單擊菜單仿真菜單欄的運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)開始仿真，仿真結(jié)果如圖7-19所示。7.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果287.3逆變電路

逆變電路的功能是將直流電能變?yōu)榻涣麟?。常用的逆變器包括單相逆變器和三相逆變器，都可以使用SimscapeElectrical組件庫（前身為SimPowerSystems和SimElectronics，可提供用于電子、機(jī)電與電力系統(tǒng)建模及仿真的組件庫）中的晶閘管、GTO或IGBT等器件模型構(gòu)建仿真電路模型。三相逆變器還可以采用通用電橋(UniversalBridge)模塊和同步6脈沖發(fā)生器仿真模型(PulseGenerator(Thyristor,6-Pulse))來構(gòu)建三相逆變電路。本節(jié)主要介紹常用的單相和三相逆變電路的仿真。29

單相全橋逆變電路的原理圖如圖7-20所示。橋臂1和橋臂4作為一對，橋臂2和橋臂3作為另一對，成對的橋臂同時導(dǎo)通，兩對橋臂各導(dǎo)通180°，輸出電壓波形為矩形波。7.3.1單相全橋逆變電路

1.電氣原理結(jié)構(gòu)圖30

在Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖7-20所示的原理圖，采用SimscapeElectrical組件庫中的IGBT/Diode模塊搭建的單相全橋逆變電路的仿真模型如圖7-21所示。系統(tǒng)由直流電壓源、IGBT/Diode、脈沖信號發(fā)生器和阻感性負(fù)載構(gòu)成。2.仿真模型31

打開系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置對話框，選擇ode23tb，并將相對容差設(shè)定為1e-4；仿真起止時間設(shè)定為0~0.1s，其他參數(shù)為默認(rèn)值。在Simulink模型窗口中單擊仿真菜單欄的運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)開始仿真。本例設(shè)定阻感性負(fù)載RL模塊的R為10?，L為0.1H，輸出電壓Uo和輸出電流io的波形如圖7-22所示。當(dāng)改變阻感性負(fù)載電阻和電感的比例關(guān)系時，可以獲得不同的仿真結(jié)果。3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果32

三相電壓型橋式逆變電路的原理圖如圖7-23所示。7.3.2三相電壓型橋式逆變電路

1.電氣原理結(jié)構(gòu)圖33

在Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖7-23所示的原理圖，采用SimscapeElectrical組件庫中的IGBT/Diode模塊搭建的三相電壓型橋式逆變電路仿真模型如圖7-24所示。系統(tǒng)由直流電壓源、IGBT/Diode、脈沖信號發(fā)生器和阻感性負(fù)載構(gòu)成。2.仿真模型34

打開系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置對話框，選擇ode23tb，并將相對容差設(shè)定為1e-6；仿真起止時間設(shè)定為0~0.2s，其他參數(shù)為默認(rèn)值。在Simulink模型窗口中單擊仿真菜單欄的運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)開始仿真。3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果357.4直流-直流變流電路

直流-直流變流電路是將直流電變?yōu)榱硪环N固定電壓或可調(diào)電壓的直流電，它有多種類型。這里主要介紹降壓式（Buck）斬波器和升降壓（Buck-Boost）斬波器的仿真，其它直流變換器的仿真可以用同樣的方法實(shí)現(xiàn)。36

降壓式斬波電路其輸出電壓平均值總是小于輸入電壓值，其電路的原理圖如圖7-27所示。全控型器件IGBT的柵極驅(qū)動電壓為周期性方波，采用脈沖寬度調(diào)制控制方式，即工作周期T不變，IGBT開通時間可調(diào)。7.4.1降壓式（Buck）斬波器

1.電氣原理結(jié)構(gòu)圖37

在Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖7-27所示的原理圖，采用SimscapeElectrical組件庫中的IGBT模塊搭建的降壓式（Buck）斬波器仿真模型如圖7-28所示。系統(tǒng)由直流電壓源、IGBT、脈沖信號發(fā)生器和阻感性負(fù)載構(gòu)成。2.仿真模型38

打開系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置對話框，選擇ode23tb，并將相對容差設(shè)定為1e-4；仿真起止時間設(shè)定為0~0.002s，其他參數(shù)為默認(rèn)值。在simulink模型窗口中單擊仿真菜單欄的運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)開始仿真。3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果39

升降壓式斬波電路其輸出電壓平均值可以大于或小于輸入電壓值，其電路的原理圖如圖7-30所示。全控型器件IGBT的柵極驅(qū)動電壓為周期性方波，采用脈沖寬度調(diào)制控制方式，即工作周期T不變，但占空比α可調(diào)。當(dāng)0<α<1/2時，為降壓；當(dāng)1/2<α<1時，為升壓。7.4.2升降壓式（Buck-Boost）斬波器

1.電氣原理結(jié)構(gòu)圖40

在Simulink環(huán)境下，根據(jù)圖7-30所示的原理圖，采用SimscapeElectrical組件庫中的IGBT模塊搭建的升降壓式（Buck-Boost）斬波器的仿真模型如圖7-31所示。系統(tǒng)由直流電壓源、IGBT、脈沖信號發(fā)生器、二極管、儲能電感、濾波電容和負(fù)載電阻構(gòu)成。2.仿真模型41

打開系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置對話框，選擇ode23tb，并將相對容差設(shè)定為1e-4；仿真起止時間設(shè)定為0~0.06s，其他參數(shù)為默認(rèn)值。在Simulink模型窗口中單擊仿真菜單欄的運(yùn)行按鈕，系統(tǒng)開始仿真。這里設(shè)定負(fù)載電阻R為100?，直流電源電流id、二極管電流iVD、電感電流電流iL、負(fù)載電阻電流iR和負(fù)載電阻電壓UR的波形如圖7-32所示。3.系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置及仿真結(jié)果427.5交流-交流變流電路