基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真

本书介绍基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真，在适当阐述工作原理基础上，重点介绍系统的仿真模型建立方法和仿真结果分析。本书具有以下特点：

（1） 内容新颖独特，将电力电子技术、交直流调速系统与MATLAB仿真有机结合。

（2） 运用MATLAB的Simulink和Power System工具箱，以及面向系统电气原理结构图的仿真方法，实现建模与仿真。

（3） 提供了大量应用实例并给出仿真结果，通过测量模块验证理论的正确性和仿真的优良性。

（4） 深刻理解MATLAB库中仿真模块工作原理，对仿真效果不佳的模块进行改造和结果验证。

（5） 对于MATLAB仿真中可能遇到的问题，进行深入讲解与分析，并提出更优的解决方案。

　　《基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真（第2版）/新视野电子电气科技丛书》主要介绍基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真，在适当阐述工作原理的基础上，重点介绍系统的仿真模型建立方法和仿真结果分析，对于不能直接调用的仿真模块进行修改并说明其工作原理。
　　《基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真（第2版）/新视野电子电气科技丛书》共分7章：第1章为基础内容，着重介绍MATLAB基本操作与模型库中模块浏览；第2～7章为电力电子和交直流调速系统仿真模型的建立和仿真结果分析。全书提供了大量应用实例。
　　《基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真（第2版）/新视野电子电气科技丛书》的特点是将电力电子技术、交直流调速系统与MATLAB仿真有机地结合在一起，叙述简洁、概念清楚。
　　《基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真（第2版）/新视野电子电气科技丛书》适合作为高等学校电气类、自动化类及其相关专业高年级本科生、研究生的教材和教师参考书，也可供相关技术人员参考。

陈中，盐城工学院教师，连续多年指导学生进行毕业设计以及学科竞赛，拥有丰富教学、实践经验，已出版《基于MSP430单片机的控制系统设计》《基于AVR单片机的控制系统设计》等五部著作。

第1章 MATLAB简介与基本操作
1．1 MATLAB简介
1．2 Simulink/SimPowerSystems模型窗口
1．2．1 Simulink的工作环境
1．2．2 模型窗口工具栏
1．3 有关模块的基本操作及仿真步骤
1．4 测量模块及显示和记录模块的使用
1．5 建立子系统和系统模型的封装
1．6 模块的修改
1．7 新版本中查找旧版本模块
1．8 Simulink模型库中的模块
1．9 SimPowerSystems模型库浏览
1．10 仿真算法介绍
1．11 S函数的编写

第2章 电力电子整流电路仿真
2．1 电力电子仿真常用的测量模块简介
2．2 单相桥式整流电路仿真
2．2．1 单相全控桥式整流电路的仿真
2．2．2 单相半控桥式整流电路的仿真
2．3 三相半波可控整流电路仿真
2．3．1 三相半波可控整流电路接阻感性负载仿真
2．3．2 三相半波可控整流电路接反电动势负载仿真
2．3．3 考虑交流电源存在电感三相不可控整流电路仿真
2．3．4 考虑交流电源侧存在电感的三相半波可控整流电路仿真
2．4 三相桥式全控整流电路仿真
2．5 三相半控桥式整流电路仿真

第3章 电力电子有源逆变仿真
3．1 半波可控整流电路接电动势性负载仿真
3．2 考虑交流电源存在电感的有源逆变仿真
3．3 三相全控桥式电路有源逆变工作状态仿真
3．4 整流电路的电流畸变系数和有功功率测量的仿真

第4章 电力电子无源逆变仿真
4．1 负载换流逆变器仿真
4．1．1 RLC串联谐振逆变器仿真
4．1．2 并联谐振逆变器仿真
4．2 强迫换流电压型逆变器仿真
4．2．1 单相桥式串联电感式逆变器仿真
4．2．2 三相串联电感式逆变电路仿真
4．2．3 串联二极管式逆变器仿真
4．2．4 具有辅助换流晶闸管逆变器仿真
4．3 强迫换流电流型逆变器仿真
4．4 全控型电力电子电压型逆变器仿真
4．4．1 单相全桥逆变器仿真
4．4．2 三相电压型逆变器仿真
4．5 多重逆变电路仿真
4．5．1 二重单相电压型逆变电路仿真
4．5．2 三相电压型逆变器多重化仿真
4．6 正弦波脉宽逆变器仿真
4．7 跟踪型PWM控制技术仿真
4．7．1 单相半桥式跟踪PWM逆变器仿真
4．7．2 三相桥式跟踪PWM逆变器仿真
……

第5章 交流调压和直流变换仿真
第6章 直流调速系统仿真
第7章 交流调速系统的MATLAB仿真
参考文献

第5章交流调压和直流变换仿真

5.1交流调压仿真

交流调压是指交流电压幅值的变换(其频率不变)，它在交流调压、交流调功和交流开关3种交流电力控制器中有着广泛的应用。交流电力控制器通常是指接在交流电源与负载之间，用以实现负载电压有效值和功率调节或开关控制的电力电子装置。

它们可以采用相位控制或通断控制，相应的装置也称为交流调压器、交流调功器和交流电力开关。

5.1.1单相交流调压仿真

单相交流调压电路是交流调压中最基本的电路，它由两只反并联的晶闸管组成。两只普通晶闸管VT1和VT2分别作为正负半周的开关，当一个晶闸管导通时，它的管压降成为另一个晶闸管的反压，使之阻断，实现电网自然换流。单相交流调压仿真模型如图51所示。

图51单相交流调压仿真模型

1. 主电路建模和参数设置

主电路主要由交流电源、两个晶闸管反并联和电阻负载组成。交流电源AC voltage Source的参数设置为： 峰值电压为220V，相位为0°，频率为50Hz，负载为纯电阻10Ω。

2. 单相交流调压控制电路的仿真模型

控制电路的仿真模型主要有两个脉冲触发器组成，分别通向两个反并联晶闸管，参数设置为： 峰值为1，周期为0.02s，脉冲宽度为10，相位延迟时间为0.00167，这是因为本次仿真时把延迟角设定为30°，另一个触发脉冲器的参数中，延迟角和前一个脉冲触发器相差180°，即为0.01167，其他参数设置和前者相同。

3. 测量模块的选择

从仿真模型可以看出，本次仿真主要测量输出的有功功率、负载电压有效值以及流过晶闸管VT1电流的有效值。模块测量的是负载两端电压和负载电流。

仿真算法采用ode23tb，仿真时间为1s，仿真结果如图52所示。

图52单相交流调压仿真结果(1)

从仿真结果可以看出，控制角α可将电源电压“削去”0~α、π~π+α区间一块，从而在负载上得到不同大小的交流电压。还可以看到，输出电压虽是交流，但不是正弦波，波形与横轴对称，没有偶次谐波，而包含有3、5、7、9等奇次谐波。这与用调压变压器进行交流调压输出是正弦波不同，所以，只适用对波形没有要求的场合，例如温度和灯光调节，如果用作其他调压器，则要注意负载容许多大的波形畸变。

对于单相交流调压，负载电压有效值的计算公式为

UR=1π∫πα(2Uasinωt)2dωt=Ua1-2α-sin2α2π(51)

其中，Ua是有效值，由于电源峰值为220V，其有效值Ua为220/2，延迟角α为30°，代入式(51)可计算得到负载电压有效值为153V，而从图52可以看出，负载电压有效值为152.6V。

对于单相交流调压，输出的有功功率的计算公式为

PR=U2aR1-2α-sin2α2π(52)

其中，R=10Ω，可计算输出有功功率为2351W，而从图52可以看出，输出的有功功率为2340W。

流过晶闸管有效值的计算公式为

IVT=1π∫πα2UasinωtR2dωt=Ua2R1-2α-sin2α2π(53)

可计算流过晶闸管电流有效值为10.8A，而从图52可以看出，流过晶闸管电流有效值为10.8A。

现用Powergui模块对负载两端电压进行谐波分析，如图53所示。

　　《基于MATLAB的电力电子技术和交直流调速系统仿真》第1版已经出版接近5年了，受到了读者的好评，并被部分高校选为教材。随着MATLAB新版本的不断推出，当初采用的版本MATLAB6.5.1已不符合潮流，故用MATLABR2014a版本重新编写。
　　MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB和Simulink两部分。MATLAB是Matrix Laboratory的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、丁程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、FORTRAN）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。
　　基于框图仿真平台的Simulink是在1993年发行的，它是以MATLAB强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算的。Simulink提供了各种仿真工具.尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库，为系统仿真提供了极大的便利。在Simulink平台上，通过拖曳和连接典型的模块就可以绘制仿真对象的框图，对模型进行仿真。在Simulink平台上，仿真模型可读性强，避免了在MATLAB窗口中使用MATI。AB命令和函数仿真时需要熟悉记忆大量函数的问题。
　　Simulink环境下的电力系统模块库（Power System Blockset）是由加拿大HydroQuebec和TESCIM Internation公司共同开发的，其功能非常强大，可用于电路、电力电子系统、电动机控制系统、电力传输系统等领域的仿真。
　　MATLAB软件更新很快，几乎每隔一段时间就有新版本推出，但从笔者个人实践中来看，MATLAB版本差别为：MATLAB6.5版本和MATLAB6.5.1版本相比，前者不分控制信号和主电路信号，MATLAB7.0版本和MATLAB6.5.1版本相比，前者多了Powergui模块；而MATLABR2014a版本与以前版本有较大差异，但与MATLABR2018b版本相差不大。两者之间除了一些无关紧要的模块（如示波器模块）、模块名的设置稍有不同外，其他的操作方法和仿真模块基本上没有区别，就电力电子和交直流调速仿真而言，笔者更倾向于采用MATLAB6.5.1版本，但其缺点是只能在WindowsXP操作系统上运行，检测多次谐波比较烦琐。所以本书使用MATLABR2014a版本。
　　本书依然保留了之前版本的一些重要仿真模型，而且如果读者使用的是MATLAB其他版本而达不到书中效果，可以在仿真模型基础上适当修改参数和算法。特此说明。