电力电子应用技术的MATLAB仿真（林飞）

主要为电力电子应用技术仿真入门， 电力电子应用技术综合了微电子、电路、电机学、自动控制等多学科知识，是电能变换与控制的核心技术，在工业、能源、交通、国防等各个领域发挥着越来越重要的作用。 然而，由于电力电子器件所固有的非线性特性，使得对电力电子电路及系统的分析十分困难。现代计算机仿真技术通过在计算机平台上模拟实际的物理系统，为电力电子电路及系统的分析提供了有效的方法，大大简化了电力电子和传动系统的分析与设计过程，成为相关专业学生和工程技术人员学习和研究电力电子应用技术的重要手段。计算机仿真需要用数学模型代替实际的电力电子装置，通过数值方法求解数学方程，获得电力电子电路及系统中各状态口 ERELED下R日N1APELLE DTE口 PIN LELT电力电子用技的林飞杜欣编著MAAB的真忄用电力出版www.cepp.com.ch内容提要为了满足电力电子专业及其相关领域人员对计算机仿真知识的需求,使其掌握当前先进的计算机仿真工具,特编写本书。本书首先介绍了 MATLAR软件及其图形伤真界而 Simulink的基础应用知识,详细介绍了用于电力电子仿真的 SimPowerSystems中的各模块库,然后列举了DC-DC变换、DC-AC变换、AC-DC变换、直流调速、交流调速等方面的应用。全书通过大量实例介绍了电力电子应用技术的仿真方法和技巧。本书适用于高等学校电力电子专业及其相关专业的教材,也可供相关专业的T程技术人员学习和参考。图书在版编目(CP)数据电力电子应用技术的 MATLAB仿真/林飞,杜欣编著.一北京:中国电力出版社,2008ISBN978-7-5083-7953-1I.电…Ⅱ.①林…②杜…Ⅲ.电力电子学-系统仿真-软件包, MATLABⅣ.TM1中国版本图书馆CIP数据核字(2008)第153247号责扛编辑:孙芳责任校对:土开云责任印制:郭华清书名:电力电子应用技术的 MATLAB仿真主编:林飞杜欣出版发行:中国电力出版社地址:北京市三里河路6号邮政编码:100044电话:(010)68362602传真:(010)68316497印刷:航远印刷有限公司开本尺寸:185mmx260mm印张:19字数:476千字书号:ISBN978-7-5083-7953-1版次:2009年1月北京第1版印次:209年1月第1次印刷印数:0001—-3000册定价:3200元敬告读者本书封面贴有防伪标签,加热后中心图案消失本书如有印装质量问题,我社发行部负责退换版权专有翻印必究前电力电子应用技术综合了微电子、电路、电机学、自动控制等多学科知识,是电能变换与控制的核心技术,在工业、能源、交通、国防等各个领域发挥着越来越重荽的作用。然而,由于电力电子器件所固有的非线性特性,使得对电力电子电路及系统的分析十分困难。现代计算机仿真技术通过在计算机平台上模拟实际的物理系统,为电力电子电路及系统的分析提供了有效的方法,大大简化了电力电子和传动系统的分析与设计过程,成为相关专业学生和工程技术人员学习和研究电力电子应用技术的重要手段。计算机仿真需要用数学模型代替实际的电力电子装置,通过数值方法求解数学方程,获得电力电子电路及系统中各状态变量的运动规律。但是,复杂的数学建模、数值计算及编程过程仍然需要耗费巨大的工作量,阻碍了计算机仿真技术在工程中的应用。为此,出现了 PSPICE、 SABER、 MATLAB等适用于电力电子电路及系统仿真的专用仿真软件。这些软件将各种功能子程序模块化,提供了完普的部件模型,用户只需简单的操作便可完成给定系统的仿真模型,成为广大学生和工程技术人员在学习、科研和开发过程中的必备工具。早期的 MATLAB软件主要用于数值计算及掉制系统的仿真和分析,经过多年不断地扩展,目前涉及通信、信号处理、电气工程、人工智能等诸多领域,已经成为风摩全球的科学计算软件。 MATLAB中提供的“ SimPowerSystems”,是进行电力电子系统仿真的理想工具,与 PSPICE和 SABER等仿真钦件进行器件级别的仿真分析不同, SimPowerSystems中的模型更加关注器件的外特性,易于与控制系统相连接。 SimPowerSystems模型库中包含常用的电源模块、电力电子器件模块、电机模型以及相应的驱动模块、控制和测量模块,使用这些模块进行电力电子电路系统、电力系统、电力传动等的仿真,能够简化编程工作,以直观易用的图形方式对电气系统进行模型描述。木书正是基于该软件,向读者详细介绍电力电子应用技术的仿真方法和技巧。本书可以分为两人部分:前三章属于基础知识部分,介绍了 MATLAR、 Simulink及SimPowerSystems的基本使用方法;后六章属于应用部分,分别从DCDC、DC-AC、AC-DC、直流调速、交流调速及其他应用等六个方面介绍了相关的基础理论及仿真方法。本书力求浅显易懂,通过灾例介绍仿真软件的使用方法,引导读者灵活应用书中的知识,从而进一步实现自己的应用月标本书体现了如下特点:(1)内容新颖,结合目前最新版本的 MATLAB R2008a进行介绍(2)编排合理,简单介绍电力电子应用技术的基础理论,并在此基础上详细描述了伤真模型的建立、设置、运行及分析过程。(3)通过大量实例使读者易于掌握仿真软件的使用方法本书编写过程中,林飞、杜欣确定了本书的编写大纲。第1、2、6、7章由杜欣、黄少芳撰写;第3、4章由冉旺、林飞撰写;第5、8、9章由林飞撰写。林飞负责全书的统校和审定工作。感谢研究生马亮、赵坤、盛彩飞、黄泳均、李明娟等同学,为本书提供了相关的仿真实例。编写过程中,本书参阅了许多国内外论文、论著,主要的都已列举于参考文献部分,在此向所有作者们表示深深的谢意!北京交通人学电气工程学院置电力电子研究所为本书的出版给予了极大的支持,作者的家人、朋友和同事都以不同的方式为本书的出版给予了关怀与帮助,在此一并表示感谢由于本书涉及范围广,作者学识有限,加之时间仓促,难免会有疏漏或不当之处,恳请读者批评指正。编者2008年8月于北京交通大学目录前言第1章 MATLAB基础知识11 MATLAB简介……n4.甲;“—自4p·b自ψ卓ψ备自·自自:·······1···.··1.2 MATLAB环境…1.3 MATLAB基本应用…………酯q吉自中血函1.3.1数据结构…“········→13,2数值运算…垂备日↓自,p善,p即133程序设计基础34 MATLAB的基本绘图21第2章 Simulink环境和模型库……………252.1系统仿真( Simulink)环境252.11 Simulink工作环境…晶a自即命带自自自·自唱目看非看中卓寺………………25212 Simulink的基本操作…292.,13创建 Simulink仿真模型·32214创建 Simulink仿真模型的子系统画由●3922认识 Simulink的重要模块库自4●自自●ppbb甲鼻唱●●甲西鲁吾自自自●自·日:··:身··D23S-两数的设计方法…,…,……….…………52第3章 SimPowerSystems模型库q日s:·“·····卓自nD看哈命命是即日………5931 SimPowerSystems模型库概述311 SimPowerSystems模型库简介…5931.2 SimPowerSystems模型库内容6032电源库…6832.1直流电压源………………68322交流电压源…………6832.3三相可编程电压源33元器件库……………:日山自日日日t斗···4◆p■命备带咖自·卓··甲早q.『··,·····,·是70331断路器………………"………3.3.2串联RIC支路…71333变压器34电机库………血●非■自·自母·自4幽中垂·自··司聊D。音,Dp··d如鲁自自曲由.血………7535电力电子库…………………78351绝缘栅双极型晶体管352二极管353通用桥式电路■目口国口■「甲口看助国P36应用库……………………………………………………………8237其他模块库371控制模坎……83372测量模块…………863.8图形用户界面…………………………………86381调用方法…………曲“曲盆曲曲画m画d直日省直p看音D唱目看唱非甲曾节PpD·。学。中节要罪寺甲看司甲司………86382属性参数对话框8383 Steady State Voltages and Currents窗口…88384 Initial States Selling窗口8938.5 Load flow and machine initialization窗口看●386 Link to the lti viewer窗口……9038.,7 Impedance vs. Frequency Measurement窗口…………388快速傅里叶分析工具窗口………………………………91389磁滞设置工具窗口9239应用举例号早甲是白由由自自曲·目当由也最……93第4章Dc-DC电路的仿真974.1降压(Buck)变换器…香自·非。鲁鲁。。974,2升( Boost)变换器43升降压(Buck- Boost)变换器11444丘克(Cuk)变换器………………………1194.5带隔离变压器的DCDC变换器…1224.51单端正激变换器( Forward Converter123452单端反激变换器( Flyback Converter)………………………124第5章DC-AC电路的仿真…12951方波逆变电路…………………1295L1单相方波逆变电路画道口自口129512三相方波逆变电路…q早··…13252单相PwM逆变电路136521双极性SPWMl36522单极性SPWM………142523倍频SPWM……………1463三相PWM逆变电路…44p享和由看↓果.··日罩……148531SPWM逆变电路……………………………14853.2死区时间的影响…………151533电流跟踪PWM……………154534空间矢量PWM……………………………15854多电平逆变电路■p歌导q162第6章AC-DC电路的仿真………16861电容滤波的不可控整流电路:日a:4·日中.■看看d………1686.1.1电容滤波的单相不可控整流电路……………168612电容滤波的三相不可控整流电路…号曾鲁号曾卧………1736.2单相有源功率因数校正电路仿真………………1806.3桥式相控整流电路63.1单相桥式全掉整流电路632三相桥式全控整流电路中自中日中早中甲早…19364PWM整流电路……200第7章直流调速系统的仿真中;中小函春甲与中甲司中山申20871晶闸管开环直流调速系统仿真………………………2087.2转速单闭环直流调速系统仿真…………21173带电流截止负反馈的无静差转速负反馈调速系统……………21574转速电流双闭环直流调速系统仿真………………217第8章交流调速系统的仿真4▲小4中▲商白品白“……2228.1异步电机的恒压频比控制………………………………………222811异步电机的稳态数学模型……………22281,2基于稳态模型的恒压频比控制82异步电机的矢量控制……………230821坐标变换与异步电机的动态模型……………230822转子磁场定向矢量控制23583异步电机的直接转矩控制…,·■2468.3.1直接转矩控制基本原理…283,2直接转矩控制系统酯b画画凸凸品画画Bbt自曲自_曲d。d24784永磁同步电机矢量控制25285无刷直流电机控制…备e·4。。。而命曾·音;申255第9章其他应用…26191镍氢电池模型自晶直bb■·■26192配网静止同步补偿器…26493有源屯力滤波器27394Ⅴ SC-HVDC…………………………2,7895混合动力汽车…28496双馈风力发电系统…289参考文献…………295篇详溪MATLAB基础知识MATLAB软件语言系统是当今流行的第四代计算机语言,由于它在科学计算、数据分析、系统建模与仿真、图形图像处理、网络控制、自动控制、通信系统、DSP处理系统、航天航空、生物医学、财务、电子商务等不同领域的广泛应用以及自身的独特优势,目前 MATLAB受到各研究领域的推崇和关注。学习一种软件,首先需要了解它的特点、使用环境、最基本的使用方法和重要的操作技巧。本章的目的在于使 MATLAB软件的初学者,能够借助本章的学习,为深入理解后续章节的内容,奠定必要的知识与方法基础。11 MATLAB简介1980年,美国的 Cleve moler博士在新墨西哥大学讲授线性代数课程时,发现采用高级语言编程极为不便,于是建立了 MATLAB( Matrix Laboratory的缩写),即矩阵实验室,早期开发 MATLAB软件是为了帮助学校的老师和学生更好地授课和学习。1984年,由美国MathWoks公司推出了商业版,经过二余年的不断升级,目前 MATLAB最新版本为 MATLABR2008a由于使用 MATLAB编程运算与进行科学计算的思路和表达方式完全一致,所以不像学习Basic、 Fortran和C语言等其他高级语言那样难以掌握,用 MATLAB编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。在这个环境下,对所要求解的问题,用户只需简单地列出数学表达式,其结果便会由 MATLAB以数值或图形方式显示出来。从 MATLAB诞生开始,由于其高度的集成性和应用的方便性,以及它能非常快捷地实现科研人员的设想并节省科研时间,在高校中得到了广泛的应用与推广。它可以很方便地进行图形化输入输出,同时还具有丰富的函数库(工具箱),极易实现各种不同专业的科学计算功能。另外, MATLAB和其他高级语言也具有良好的接口,可以方便地与其他语言实现混合编程,这都进步拓宽了它的应用范围和使用领域。在各大高等院校, MATLAB软件正在成为对数值、线性代数以及其他一些高等应用数学课程进行辅助教学的有力工具;在工程技术界, MATLAB软件也被用来构建与分析一些实际课题的数学模型,其典型的应用包括数值计算、算法预设计与验证,以及一些特殊矩阵的计算应用,如统计、图像处理、自动控制理论、数字信号处理、系统识别和神经网络等。它包括了被称作工具箱( Toolbox)的各类应用问题的求解T具。T具箱实际上是对 MATLAB软件进行扩展应用的一系列 MATLAE函数(称为M函数文件),它可用来求解许多学科门类的数据处理与分析问题1