MATLAB仿真在电力电子技术课程中的应用

芜湖职业技术学院电气工程学院 周群利 余红英 白彩波

侯德华 潘东旭

介绍了MATLAB软件的仿真集成环境Simulink的功能、特点和用于电力电子电路仿真的电气系统仿真库，总结了进行电路及系统仿真分析的具体步骤，并以三相桥式全控整流电路（电阻性负载）为例进行仿真，在不需重建系统仿真模型的基础上，可方便地对不同参数和负载情况进行比较和性能指标分析，使教学更具有实时性、直观性、生动性。

它的主要功能是实现各种动态系统的建模、仿真和分析。在对电力电子电路仿真时，除了要使用Simulink的基本模块外，还要用到电气系统仿真库SimPowerSystem中的元件模型，在该仿真库中包含常用的电力电子器件、触发器、无源元件、电机以及测量元件等，这些元件都是以图形化元件模型的形式呈现的，学习者可以快速且形象直观地构建所需的电路模型。

在MATLAB中启动Simulink后就进入Simulink浏览器，如图1所示。

用鼠标左键双击图1左侧窗口的“Simscape”，选择其下的模

1 引言

电力电子技术就是应用于电力领域的电子技术，是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术（王兆安，刘进军，电力电子技术(第5版)：机械工业出版社，2014）。电力电子技术广泛应用于国民经济的各个领域。电力电子电路的计算机仿真具有十分重要的现实意义，它不仅能帮助学习者理解电路的工作原理和工作过程，即使对经验丰富的工程技术人员，计算机仿真也是对电路及其控制系统分析、定量计算的强有力工具。随着电力电子技术应用的日益广泛，可用于电力电子电路及装置的通用和专用仿真软件不断出现，MATLAB就是其中一款使用非常广泛的数值计算软件，作为控制领域中最流行的电子电路设计自动化软件，除了具有传统的交互式编程能力外，还具有强大的矩阵运算，数据处理和图像处理功能（张威，MATLAB基础与编程入门：西安电子科技大学出版社，2008）。

特别是MATLAB的仿真集成环境Simulink更加方便使用，从而使其得到更加广泛的应用。

图1 Simulink模块库浏览器

2 MATLAB仿真软件中的电力系统仿真模块及建模方法

MATLAB中含有一个仿真集成环境Simulink，图2 SimPowerSystem的模块库

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ELECTRONICS WORLD・探索与观察型库“SimPowerSystem”，在Simulink模块库浏览器的右侧窗口出现该模型库中的九个模块库（子库），如图2所示，双击模块库即可查看该库中的元件。

在建立电力电子电路的模型时，最常用到的模块库有：Power 电源相电压峰值为100V，频率为50Hz,A相初始相位角为0°，B相初始相位角为-120°，C相初始相位角为-240°，负载为电阻性负载，阻值为2Ω。由于三相整流电路触发延迟角α的起点为相电压正半周的交点，因此本仿真模型中对应触发延迟角α为60°的A相、Electronics（电力电子器件模块库）、Electrical Sources（电源模块库）、Elements（电气元件模块库）、Measurements（电气测量模块库）。

在图1所示的Simulink界面中，单击“File”下的“New”、“Model”命令即可产生一个新的仿真模型编辑窗口，在该窗口中可以建立仿真对象、编辑元件及设定系统的相关参数，进而完成整个电路及系统的仿真分析。下面以MATLAB2013a为例，具体的步骤如下：

（1）新建一个仿真模型编辑窗口，在Simulink模块库中选择电力电子电路所需的元件或模块。

（2）在模型编辑窗口中可以对选取的元件进行旋转（Ctrl+R）、翻转（Ctrl+I）、复制（Ctrl+C）、粘贴（Ctrl+V）、删除（Delete）等操作。

（3）当需要改变元件参数时，双击该元件，在弹出的参数设置对话框中即可输入新的元件相应参数值。

（4）当电力电子电路的元件相对位置调整完毕后，可采用信号线将元件进行连接，从而构成电路或系统的结构图。

（5）系统模型建立完成后，需要使用“Simulation”菜单中的“Model Configuration Parameters”命令对仿真起止时间、仿真步长、允许误差以及求解算法进行设置和选择。

（6）以上步骤完成后，一定要进行保存。

（7）在仿真模型编辑窗口中放置一个powergui模块，此模块为电力电子系统仿真所独有，当系统不太复杂时可以设置powergui为continuous模式（王宇，MATLAB/Simulink在“电力电子技术”课程教学中的应用：中国电力教育，2014）。

（8）查看仿真结果并进行分析。

3 电力电子系统仿真

下面以三相桥式全控整流电路（电阻性负载）为例用MATLAB软件进行仿真，按照前面总结的步骤，建立此电路的仿真模型，如图3所示。

图3 三相桥式全控整流电路（电阻性负载）电路仿真模型• 34 •

B相、C相对应的六个触发环节中的延迟时间（Phase delay）分别设置为5ms、8.33ms、11.67ms、15ms、18.33ms、1.67ms。在三相桥式全控整流电路中，需要保证共阳极组和共阴极组各有一个晶闸管同时触发导通，使负载有电流流过，晶闸管的触发脉冲可选为宽脉冲或双窄脉冲，在此脉冲宽度选为20%的电源周期，即宽脉冲触发方式。在仿真参数窗口，选择ode23tb算法，将相对误差设置为1e-3，仿真开始时间设置为0，停止时间设置为0.05s。

触发延迟角α=60°时三相桥式全控整流电路电阻性负载电路仿真波形如图4所示。三幅波形图中的波形依次为：A相/B相/C相电源电压（黄色曲线为A相电压波形，紫色曲线为B相电压波形，蓝色曲线为C相电压波形）、晶闸管VT1的电流/电压波形（紫色曲线为晶闸管VT1的电压波形，黄色曲线为晶闸管VT1的电流波形）、直流侧电流/直流侧电压（紫色曲线为直流侧电压波形，黄色曲线为直流侧电流波形）。

图4 α=60°时三相桥式全控整流电路电阻性负载电路仿真波形

4 结论

通过对三相桥式全控整流电路的仿真，可以看出应用MATLAB软件中的Simulink模块库很容易搭建电力电子电路，并进行系统电路的仿真。与此同时电力电子仿真模型参数的选择也十分重要，它直接影响着仿真结果和仿真质量。在进行仿真时，只需对模块的参数做些修改（如在不同电源电压、不同负载情况下，触发延迟角不同），而不需重建系统仿真模型，便可得到改变的系统之后的波形，这样便于对不同参数和负载情况进行比较和性能指标分析，使教学更具有实时性、直观性、生动性。

基金项目：芜湖职业技术学院校级科研项目（Wzyzrzd201905）；安徽省教育厅重大教学研究项目（2016jyxm1124）；芜湖职业技术学院校级教研项目（WZ[2017]jy01）。作者简介：周群利（1978—），女，陕西西安人，硕士，副教

授，芜湖职业技术学院教师。