2007年2月
华 北 水 利 水 电 学 院 学 报
Journal of North China I nstitute of W ater Conservancy and Hydr oelectric Power
Vol 128No 11Feb .2007
收稿日期:2006-08-02;修订日期:2006-09-20
作者简介:苏海滨(19-),男,河南南阳人,华北水利水电学院副教授,主要从事运动控制系统、分布式计算机控制等方面的
研究.
文章编号:1002-5634(2007)01-0049-03
基于S i m uli n k /M AT LAB 电力电子系统仿真设计
苏海滨,王继东
(华北水利水电学院,河南郑州450011)
摘 要:论述了利用Si m ulink /MAT LAB 新型电力电子工具箱进行电力电子系统仿真设计,重点分析了Si m u 2
link 环境中非线性元件模型和电路的分割及解耦.在SI M UPEC 环境中,非线性元件能够直接实现.电路分割
和解耦能实现大规模复杂电路分割为多个小的子系统,这一技术能提高系统仿真的速度.关键词:Si m ulink;非线性元件模型;分割及解耦;系统仿真中图分类号:TP275+15;N945113 文献标识码:A
为了仿真电子电路系统,通常使用SP I CE (面向
电路的仿真器)来实现[1-3]
.这种仿真器对仿真大型电力电子系统不方便,尤其对系统中包含控制系统环节和机械系统环节的更不方便.Si m ulink /MAT 2LAB 中的Si m PowerSyste m s 是专为电力电子和电气
传动系统仿真设计的,包含有少数开关装置(如电
路断路器)和简单电力电子转换器.转换器的开关器件是基于由V R 2L 支路组成的微模型结构,为使开关器件正常工作,在开关器件两端并接R -C 吸收电路.SI M UPEC 是一个模型化的软件包[4-6]
,能互动处理电子电路图,并生成dll 文件作为Si m ulink 子
函数模型.
1 SI M UPEC 特色
1.1 快速和精确仿真
在SI M UPEC 中使用的电力电子开关器件基本模型是一个分段线性化模型,由门限电压V f 、开关电阻R on 和电感L on 串联组成,电阻值的大小根据开关状态变化,在关状态时取最高值(R off >1E6),在开状态时取较小值(R on <1E -3),如果转换的时间不是零,则2个状态之间电阻值以指数规律变化.以分段线性化来建立电力半导体器件的模型,代替复杂的物理模型,使仿真快速精确,并且不会出现数字不稳定问题.
1.2 线性、非线性和时变元件的建模
在Si m ulink /MAT LAB 环境中,使用SI M UPEC 可以直接实现非线性和时变元件的建模,不需要再应用电流源或电压源或外部反馈环来线性化非线性特性,SI M UPEC 将自动在工作点线性化全电子电路.但是非线性电路元件的参数作为Si m ulink 的输
入向量元素(u [])应事先定义好,允许元件值由任何Si m ulink 的模块动态定义[7,8]
.
1.3 动态交互式改变参数
所有元件参数不仅作为一个常量或子函数参数向量p []来定义,也可以作为子系统输入向量元素
u []来定义.在仿真期间,通过改变Si m ulink 模型中
子系统参数向量,来交互式地改变元件参数,也可以由任何Si m ulink 模块动态改变这些参数.1.4 原理结构图编辑功能
集成原理结构图编辑器,只需要用鼠标进行简单的拖放处理就能够创建复杂的电子电路结构图,SI M UPEC 能自动处理电子电路图,并生成dll 文件
作为Si m ulink 子函数模型.图形编辑器能快速方便改变元件放置、大小调整和线路连接,使电力电子线路结构图清晰明了.同样SI M UPEC 能够创建子电路,使用子电路模型可以把几个基本元件或子电路组合装备成复杂电路,SI M UPEC 掩蔽特色能够隐蔽新电子电路内容,只保留简单的输入输出接口.
1.5 电路分割和解耦
在Si m ulink /MAT LAB 环境中,SI M UPEC 提供电
路分割功能,能够把一个大规模电力电子系统(或大型系统矩阵)分割成几个较小系统(几个小系统矩阵),每一个小系统作为的子系统,很容易快速精确仿真大规模电力电子系统,包括复杂控制系统.
2 非线性电路的建模
在电力电子系统中,常见非线性元件是变压器的饱和非性,以单相双绕组具有非线性磁感应变压
器为例[9]
,分析SI M UPEC 直接线性化建模方法.图1是一个单相双绕组非线性变压器模型封装的等效电路图
.
图1 单相变压器非线性等效电路
R 1,R 2为初次级绕组的电阻;L 1,L 2为初次级绕组的漏抗.铁芯磁化特性描述为铁芯损耗电阻R m
和非线性饱和电感L s ,以分段线性化L s 饱和非线性,如图2所示,图2(a )为无剩磁情况,图2(b )为有剩磁情况,在参数输入时所有电阻、电感、激磁电流和磁通均以相对值pu 来表示
.
图2 单相变压器非线性分段线性化
仿真电路实例如图1所示,参数取为R 1=R 2=
0.002(pu ),L 1=L 2=0.08(pu ),饱和特性的取值点为[0,0;0,1.1;1,1.52;1.5,1.92](pu ),铁损电阻和剩磁向量取为[500,0.8](pu ).仿真测试参数为电源电流I s (A )、初级电压V p (V )、初级电流I p (A )、磁通F ,仿真结果输出波形如图3所示,可以看出源电压中出现严重谐波分量,主要为4次谐波
.
图3 单相变压器非线性仿真结果
3 电路分割和解耦
如图4所示为三相感应电动机变频调速主电路
图,以分割线为界把电路分割为3部分,即电能转换器(交流电整流为直流电)、逆变器(直流电逆为交流电)和三相感应电动机,每一部分作为一个子系统.转换器子系统和逆变器子系统之间通过受控电压源和受控电流源连接.逆变器子系统和感应电机子系统通过2个受控电流源连接,逆变器的输出电压送到感应电机子系统,如图5所示
.
图4
变频调速主电路分割图
图5 分割和解耦原理图
图6是应用2个分割电路S -functi on 和感应电机解耦模型的P WM 变频调速系统仿真模块结构图.使用变步长积分运算法则,仿真结果如图7所示,输出波形分别为电机线电压V ab 、电机电流I a 、电机转矩T e 和电机转速W M ,分割电路系统的仿真时间比不分割系统的仿真时间降低约30%,对大型复杂系统来讲可提高仿真速度和精度.
05 华 北 水 利 水 电 学 院 学 报 2007年2月
图6
矢量变频调速系统仿真结构图
图7 变频调速系统仿真结果
4 结 语
SI M UPEC 可以直接实现仿真,不需要再对非线
性元件线性化,比其他仿真软件方便快捷.
参 考 文 献
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S i m ul a ti on and D esi gn of Power Electron i cs Syste m Ba sed on S i m uli n k /M ATLAB
S U Hai 2bin,WANG J i 2dong
(North China I nstitute of W ater Conservancy and Hydr oelectric Power,Zhengzhou 450011,China )
Abstract:Si m ulati on and design of power electr onics syste m are intr oduced using a ne w power electr onics t oolbox in Si m ulink /MAT 2LAB ,model of nonlinear components and circuit partiti oning and decoup ling,t w o features are analyzed emphatically in the Si m ulink en 2vir on ment .Model of nonlinear components can be realized directly .Circuit partiti oning and decoup ling can realize t o partiti on large and comp lex power electr onics syste m int o many s mall syste m s .this technique can raise the syste m s peed of si m ulati on .Key words:Si m ulink;modeling of nonlinear components;partiti oning and decoup ling;syste m si m ulati on
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5第28卷第1期苏海滨等: 基于Si m ulink /MAT LAB 电力电子系统仿真设计 下载本文
