计算机仿真技术在电力电子电路与系统分析中的应用

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　　 20 卷 　 5 期 第 第
文章编号 :1006 - 9348 (2003) 05 - 0097 - 03

计　 　 　 　 算 机 仿 真

2003 年 5 月 　　

计算机仿真技术在电力电子电路与系统分析中的应用
张开如 ,陈荣 ,孙鸿昌 ,王玉彬
( 山东科技大学济南校区

信电学院 ,山东 济南 250031)

摘要 : 该文介绍了一种基于 Matlab 可用于电力电子电路与系统分析的仿真软件 — Power System Blocksets ,并将其与其它常用的
Pspice 、 Saber 等软件进行了比较 。说明该软件是电力电子电路与系统在计算机仿真领域中不可多得的软件 。

关键词 : 系统分析 ; 电力电子 ; 计算机仿真 中图分类号 : TP391. 9 　　 文献标识码 :A

1　 引言
近年来计算机仿真技术在电力电子技术行业得到了广 泛的应用 ,促进了电力电子产品研究 、 开发水平的提高 ,改善 了电力电子产品的性能 ,缩短了产品的创新周期 。 电路与系统的计算机仿真在电力电子技术的应用研究 和产品开发中占有重要的地位 ,它可以加深工程师对电路与 系统工作原理的理解 , 加速电路的设计和理论的完善 , 它能 帮助生产企业提高自身开发的水平 ,改善产品性能并能有效 地缩短产品更新换代的周期 。本文介绍了一种用于电力电 子和电力传动的计算机仿真工具 — Power System Blockset ,并 将其与其它电力电子仿真软件作了比较 ,着重强调了该软件 十分适合于电力电子电路与系统的设计 ,有利于产品性能的 提高和理论的完善 ,相信在电力电子领域将发挥越来越大的 作用 。

( Power System Blockset) , 这使得 MAT LAB 可以用于电力电子

仿真 。Power System Blocksets 的仿真是基于 Matlab 的 Simulink 图形环境 ,使用起来十分方便 。Matlab 的强大数字计算功能 , 使得 Power System 的控制功能非常强大 , 尤其是利用其它相 关的工具包 ,电路可以实现极为细致的控制而不需要花费很 大的精力 。Matlab 的另一个优点是数据处理十分有效 、 精确 、 运行速度较快 ; 数据的兼容性非常好 , 便于数据的后续处理 与分析 ,尤其是在控制特性的研究分析中 ,应用十分方便 。

3 　Power System Blocksets 的功能 、 特点及应用
Power System Blocksets 是为电力电子电路与系统以及电

力传动而设计的 。它的基础是 Matlab 中的 Simulink 。Simulink 全称是 Dynamic System Simulation Software ,即系统仿真工具箱 , 是对动态系统进行建模 、 仿真和分析的一个软件包 , 它支持 线性和非线性系统 、 连续时间系统 、 离散时间系统和连续与 离散混合系统 , 可以根据用户的需要方便地为系统建立模 型 ,十分直观 ,仿真精度高 , 结果准确 。正是由于 Simulink 具 有上述优点和电力电子电路和系统分析的需要 ,人们又在它 的基础上开发了 Power System Blocksets。
Power System Blocksets 的基本模块有下面六部分 :

2　 几种电力电子仿真软件的特点比较
目前 ,在应用较广泛的电力电子仿真软件中 ,Pspice 是应 用较多的一种 。Pspice 最大的优点就是能够把仿真与电路原 理图的设计紧密的结合在一起 。Pspice 广泛应用于各种电路 分析 ,可以满足电力电子电路动态仿真的要求 。Pspice 的元 件模型的特性与实际元件的特性十分相似 ,因而它的仿真波 形与实验电路的测试结果相近 , 对电路设计有重要指导意 义 。但 Pspice 的仿真数据处理量庞大 , 仿真和处理速度慢 , 输出数据格式和兼容性差 ,这也限制了 Pspice 的应用 。
Saber 是一种功能更为强大的电子和电力仿真软件 , 它

① 连接器库 。包括水平总线 、 垂直总线 、 输入接地 、 输出 接地 、 中性地等 。 ② 电源库 。包括交流电流源 、 交流电压源 、 可控电流源 、 可控电压源和直流电压源等 。 ③ 元件库 。包括断路器 、 线性变压器 、 互感器 、 并联 RLC 支路模块 、 并联 RLC 负载模块 、 串联 RLC 负载模块等 。 ④ 附加库 。包括直流电机 、 同步六脉冲发生器 、 定时器 、 三相串联 RLC 负载 、 三相并联 RLC 负载 、 三相不可控全桥整 流桥与三相全控晶闸管全桥整流桥等 。 ⑤ 测量仪表库 。包括电流表 、 电压表等 。 ⑥ 电力电子器件库 。包括二极管 、 、 GTO MOSFET、 BT IG 和晶闸管等 。
Power System Blocksets 通过与其它工具箱的联合使用 ,可

可以仿真电力电子元件 、 电路和系统 ; 不仅具有 Pspice 的功 能 ,还能结合数学控制方程模块实现仿真 。Saber 的仿真结 果真实性好 , 与 Pspice 类似 。但 Saber 的数据处理量也相当 庞大 ,仿真的处理速度慢 。Saber 软件价格高 , 使用时烦琐复 杂 ,不利于推广应用 ,较适合于大企业应用 。 针对目前电力电子仿真软件的各自特点和电力电子研 究的需要 ,大型科学计算与仿真软件配备了电力系统工具包
收稿日期 :2002 - 04 - 08

以方便地完成单元谐波分析 、 频谱分析等 , 因而 Power System

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Blockset 具有广泛的应用范围 ,使用十分方便 。

下面以 PWM 型变频调速系统为例 , 讲述 Power System
Blocksets 在电力电子电路 、 系统分析和设计中的应用 。该系

统是一个基于六 MOSFET 模块的带电流反馈 、 采用 PWM 控 制的交流调速系统 ,它驱动的是一个惯性力矩为 J 、 摩擦系数 为 B、 负载转矩为 TL 的机械负载 。速度控制环采用比例 — 积 分控制 ,通过产生一个斜坡信号 , 可以用来控制输出幅值和 控制三相输出的振荡器频率的速度给定信号 ωr 。经过对 ωr

图1　 交流调速系统仿真原理图

运算 ,可以得到三相电流控制信号 ia 3 、 3 和 ic 3 。最后 ,电 ib 为反馈电流波形图 ,图 3 为逆变器输出电压波形图 。

机转矩和速度信号可以在异步电动机的输出端测量得到 。 通过仿真 ,可以观测到电动机电压 、 电流和转矩在起动过程 中的变化情况 ; 可以观测到电动机在稳态工作时的各种参 数 ;可以观测到电动机负载发生变化时的电动机电压 、 电流 和转矩的变化情况 。图 1 为交流调速系统仿真原理图 , 图 2

图2　 反馈电流波形图

图3　 逆变器输出电压波形图

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　　 在仿真原理图中 , 逆变器 的触发脉冲单元 为 一 集 成 单 元 ,它的内部构成如图 4 所示 。 一路触发脉冲如图 5 所示 。

4　 结论
通过对整个系统的仿真 , 可以得到如下结论 :
1) 当改变电机本身的参

数 ,如转子电阻 、 电感和负载转 矩等 ,就能实现对交流调速系 统不同工况下工作过程的仿真 分析 ,便于对不同参数和负载情况进行比较 。
2) 将 Power System Blockset 用于电力电子
图4　 触发脉冲产生单元的内部构成图

电路与系统的仿真 , 能够将系统的各个组成 部分细化 ,即把各功能单元模块化 ,在不同的 仿真实验中可以相互借用 , 具有方便 、 直观 、 灵活等优点 ,仿真结果精确 ,接近于实际 。
3) 由 Power System Blockset 实现的仿真对

系统的暂态过程的描述不够准确 , 这主要是 由于 Power System Blockset 简化了开关元件的处理 ,认为是理 想模型 ,在提高仿真速度 、 简化电路图设计的同时 ,失去了对 系统过渡过程的描述 。 综上所述 ,Power System Blockset 是一种基于理想化功率 模块和功能模块的仿真工具 ,它可用于电力电子电路与电力 传动系统分析 。与 Saber 、 Pspice 相比 ,Power System Blockset 仿 真过程更加迅速 、 更加贴近实际 、 便于分析 。另外 Matlab 的 界面比较友好 ,因而设计更加方便 。Power System Blockset 十 分适合于电力电子电路和系统的分析 、 设计 , 是与 Pspice 、
Saber 等仿真软件相辅相成的计算机仿真工具 。

图5　 一路触发脉冲
[3] 　 薛定宇 . 控制系统计算机辅助设计 — LAB 语言及应用 [ M] . MAT [4 ] 　 刘文良等 . MAT LAB 环境下异步电动机建模与仿真 [J ] . 天津轻

参考文献 :
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动控制系统的建模与仿真 。

孙鸿昌 (1978 - ) , 男 ( 汉族) , 山东东营人 , 济南市一建银箭设计院 ,
助工 ,主要从事建筑电气设计 。

王玉彬 (1972 - ) ,男 ( 汉族) ,山东东营人 , 山东科技大学信息与电气
工程学院在读硕士 ,主要研究方向为交流电气传动 。

Computer Simulation Technology Apply to Analysis of Power Electronics Circuit and System

ZHANG Kai - ru ,CHEN Rong ,SUN Hong - chang ,WANG Yu - bing

(Ji’ Branch of ShanDong University of Science and Technology ,Jinan Shandong 250031 ,China ) nan

ABSTRACT :This thesis produces a simulation software — Power System Blocksets which apply to power electronics circuit and system ; and compares with other simulation tools such as Pspice and Saber. It proves that the Power System Blockset is suit for power electronics circuit and system in the field of computer simulation. KEYWORDS :System Analysis ;Power Electronics ;Computer Simulation ;Power System Blocksets

工业学院学报 ,2001 ,3 (1) 1

清华大学出版社 ,19961

作者简介

张开如 (1957 - ) ,男 ( 汉族) , 江苏宿迁人 , 山东科技

大学信息与电气工程学院副教授 , 主要研究领域为 交流传动系统的建模 、 仿真及应用 。

陈 　 (1976 - ) , 男 ( 汉族) ,山东东营人 ,山东科技 荣

大学信息与电气工程学院助教 。主要研究领域为自

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