！ 二！ ＣＮ１２—１３５２／Ｎ 实 验 室 科 学 第１７卷第４期２０１４年８月 ＬＡＢＯＲＡＴ０ＲＹ ＳＣＩＥＮＣＥ Ｖｏ１．１７ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１４ 基于Ｍａｔｌａｂ的电力电子仿真平台开发 郭天勇 （南开大学计算机与控制工程学院，天津摘３０００７１） 要：为了便于学生理解和掌握电力电子中的电能转换原理，利用Ｍａｌｆａｂ搭建了ＤＣ／ＤＣ和ＤＣ／ＡＣ等转换 电路的仿真平台，学生通过ＧＵＩ界面可以方便地修改电路中的具体参数，并快速获取不同控制策略下的电路 仿真效果，从而为实际电路的搭建提供数值参考，降低硬件开发成本的同时还能提高学习效率。 关键词：Ｍａｔｌａｂ；电力电子；电能转换；控制策略 中图分类号：ＴＭ７４３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４３０５．２０１４．０４．０３０ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍａｔｌａｂ ＧＵＯ Ｔｉａｎ’。ｙｏｎｇ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｎｋａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３０００７ １，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｆａｃｉｌｉｔａｔｅ ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｉｎｇ ａｎｄ ｇｒａｓｐ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎ— ｖｅｒｓｉｏｎ ｔｈｅｏｒｙ，ｂｕｉｌｄ ｔｈｅ ＤＣ／ＤＣ ａｎｄ ＤＣ／ＡＣｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍａｔｌａｂ， ｓｔｕｄｅｎｔｓ ｃａｎ ｍｏｄｉｆｙ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｉｆｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ＧＵＩ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ，ａｎｄ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｑｕｉｃｋｌｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ，ｔｈｕｓ ｔｏ ｐｒｏｖｉｄｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ａｃ－ ｔｕａｌ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｃｏｓｔ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｌｅａｒｎｉｎｇ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍａｔｌａｂ；ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ 电力电子技术是一门新兴的应用于电力领域的 电子技术，主要是利用电力电子元器件对电能进行 变换和控制的技术。要想学好该课程，除了学习理 论知识外，还要通过实际硬件电路进行测试验证，这 就需要学校加大投入，除了前期购买硬件电路及元 器件外，还需要后期的维护及更新。然而，随着计算 机的不断发展，电力电子仿真软件也层出不穷，如 Ｍａｔｌａｂ、Ｍｕｈｉｓｉｍ、Ｐｒｏｔｅｕｓ等。提高学习效率，本文利 用Ｍａｔｌａｂ ＧＵＩ设计了电力电子的仿真平台 Ｊ，学 生可通过该平台验证自己的思路，从而加深对所学 知识的理解。 图１仿真平台框架 图２显示的是该仿真平台的ＧＵＩ界面，它主要 包括两部分，一是对直流电和交流电的基本情况进 行介绍，可通过单击图２中的两个按键就将其电压 特点通过图形显示出来；二是比较重要的类型转换， 根据不同选项进入相应的能量变换模块，图３是选 １ 仿真平台设计 该仿真平台可进行的实验如图１所示，它包括 电力电子技术中的４大主要变换 Ｊ，ＤＣ／ＤＣ调压、 ＤＣ／ＡＣ逆变、ＡＣ／ＤＣ整流和ＡＣ／ＡＣ变频，而在每 个环节中，都有４种不同的实验电路及控制策略，而 且它们相互之间都是的，同时为了防止学生将 参数及控制策略修改的凌乱影响后续学生的上课， 还设置了“一键还原”按键，其功能是将参数恢复为 初始值。 择ＤＣ／ＡＣ后弹出的界面，包含常见的单相和三相逆 变电路，同时提供两种可选的脉宽调制波形，分别是 ＳＰＷＭ（正弦脉宽调制）和ＳＶＰＷＭ（空间矢量脉宽 调制）。下面以单相ＳＶＰＷＭ技术为例，具体介绍该 平台的组成和特点。 郭天勇：基于Ｍａｔｌａｂ的电力电子仿真平台开发 １ ｌ７ 是零矢量；Ｖ。和 是有效矢量。Ｕ 对于逆变电 路而言，它是交流侧输出电压；若对于整流电路而 言，它是Ｈ桥的交流输入电压。ｍ为ＳＶＰＷＭ调制 因子。 为直流侧电压。 ：Ｉ 亍ｍ ｗｔ∈（万～２ｘ）１ｗｔ∈（０～ ） 图５单相ＳＶＰＷＭ合成 根据矢量合成… ，即： ｆ 。６＝Ｔ１（ Ｊ Ｉ ２）＋ （ ， ３） ｉ ： 。＋Ｔｏ （… １） ｌ 式中， 表示有效矢量的作用时间；Ｔｏ表示零 矢量的作用时间； 为开关周期。将已知量代入式 （１）就可以分别推导出正负半轴时的有效矢量和零 图３ ＤＣ／ＡＣ界面 ３矢量的作用时间。同时为了降低开关损耗，假设４ ２ ＳＶＰＷＭ技术的原理及生成方法 ＳＶＰＷＭ，即空间矢量脉宽调制，最初是应用在 交流电机调速系统中，其关键是对开关管的导通顺 个功率开关管的序号顺序如图４所示，则其正半轴 导通顺序为：￥２Ｓ４一Ｊｓ１ｓ４一Ｓ１．ｓ３—５１ｓ４一ｓ２Ｓ４，而 负半轴时，将其中的Ｉｓ１ｓ４替换为￥２Ｓ３即可。而交 流电正负半轴的检测主要是通过锁相环实现。 序和脉冲宽度长短的控制，目前三相ＳＶＰＷＭｌ６ 已 得到广泛应用，而单相ＳＶＰＷＭ研究较少，该平台将 单相ＳＶＰＷＭ应用到单相逆变电路和整流电路 中 。 ，其主电路如图４所示。从左到右即由直流 电变换到交流电，该电路为逆变；反之，从右到左，即 交流变换为直流，则称之为整流。 在ＤＳＰ、ＦＰＧＡ中我们通常采用计数器与比较 器相结合的方式生成脉宽调制信号。同理，Ｍａｔｌａｂ 也采用该方法通过编程实现，其原理如图６所示，图 叠中Ｐｒ是计数器的峰值，ｃｍｐｒｌ和ｃｍｐｒ３是脉宽调制 信号的转折点，即功率开关管闭合与断开的切换点； 而另外两个开关管的驱动信号，可利用同一桥臂开 关管的互补特性及死区时间推理得出。 Ｐｒ“Ｅ（０． ） “Ｅ（ 。２ ） ｆ ｍ （ｎ ） 』 埘 ５ （ 一７ｔ） 【 ＝ — 【 ＝ 一 Ｉ ｌ型Ｐｒ ： ｛ ‘Ｉ；旦一—４ ｍ ｓｉｎ（４ａ— ｘ）ｐｒ ｌ Ｐ型ｒ ： 图４逆变和整流主电路 ｊ ３‘： ＋—４ ｍｓｉｎ（４ａ— ｘ）Ｌ￣＂ 通过对单相逆变电路和整流电路的分析可得， 图６单相ＳＶＰＷＭ的示慝图 均有４种工作状态，分别是２个有效状态（有效矢量 作用时间）和２个零状态（零矢量作用），其中，若输 出端被上桥臂（Ｓ１、Ｊｓ３）或下桥臂（ｓ２、ｓ４）短路时， 其输出端为０，此时为零状态；而开关管对角（ｓ１、 图７显示的是逆变电路中不同的脉宽调制波 形，每个图中都有四个驱动波形，从上到下分别对应 着开关管Ｊｓ１、Ｓ２、Ｓ３和ｓ４。由于截取的时间是从 ０．０１２３ｓ开始的，与５０Ｈｚ的工频电压波形对比，此 或 、５３）导通时，输出为有效状态。以单极性 为例，当正弦波处于正半周时，输出电压由零矢量和 正的有效矢量合成；反之，则可以推出正弦波位于负 半轴时的矢量合成方法。 时所处是正弦波的负半周。其中７（ａ）显示的是单 极性ＳＰＷＭ波形，开关管．ｓ２恒导通，５３和 轮流 导通，该电路的输出由有效状态￥２Ｓ３决定，其交流 输出侧只有负电压，即单一极性；７（ｂ）显示的是双 极性ＳＰＷＭ波形，由于开关管Ｊｓ１ｓ４和￥２Ｓ３交替导 图５显示的是单相ＳＶＰＷＭ合成的示意图，图 中主要包括４种矢量， 、 、 和 ，其中， 和 通，则其交流输出侧有两种极性，即有正电压也有负 ｌｌ８ 实 室 科 学 波含量通常在ｌ％左右，而ＳＶＰＷＭ的谐波含量可 控制在０．４％左右，此结果与理论分析相匹配，从而 验证了该平台的有效性。在整流电路中也可以得到 电压；７（Ｃ）显示的是单相ＳＶＰＷＭ波形，其特点是有 效矢量和零矢量均匀对称分布，且有效矢量的作用 时间被一分为二，如图６所示。 ・ｊ— Ｏ Ｏ’２３ ｏ相同的效果。当然，为了便于学生入门，电路采用开 环控制，要想验证闭环控制策略，需要考虑控制算 法，实现精确的幅度和相位的控制。 在该平台中，除了有详细步骤的具体实验外，还 ０日１ｉ４ ０¨“ 口¨２Ｔ ●Ｏ１¨ ｊ— ｝一 Ｏ●＇２＇ ・●Ｏ’ｔ＇ 嵋一 日口■■■＿ 有作业题，从而引发学生去思考，能真正的到达学以 ａ 单极性ＳＰＷＭ波形 致用。如：以整流或逆变电路为依据，设计一个可双 ｏｊ— Ｏ Ｏ１ ２３ ｏｊ— Ｏ Ｏ１２’ ｎ向的变换电路，根据传感器获取的信号，可进行平滑 的双向变换操作，即整流和逆变。其核心是相位的 判断及控制。 ｔ－ ａ Ｏ１２３ ３ 结语 Ｏ Ｏ’２● Ｏ ０１２６ Ｏ ０ｔ２＿ Ｏ Ｏ＇２７ Ｏ Ｏ１２● ｏ｝一 ｔ Ｏ１２＇ 本文利用Ｍａｔｌａｂ软件搭建了多个电力电子的 仿真模型，并建立了ＧＵＩ平台，将所需的文件都打 包在一起，从而方便学生修改或自行设计电力电子 《翻■■■● ｂ双极性ＳＰＷＭ波形 。ｉ— 电路，通过该方法，降低开发成本的同时，还能激发 学生的兴趣，提高学习效率，还可以让学生举一反 三，并对所学的专业知识进行总结归纳。 参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）： ［１］高兴泉，王立国，刘广平．基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｓｃａｐｅ的自动控制原 ａ。＇２３ 咕一 ０￣０１２３ 舶Ｊ ０．０１１３ “、 薯ｌ岛＿■———● ｃ单相ＳＶＰＷＭ波形 图７逆变电路中不同的脉宽洞制波形 理虚拟实验平台［Ｊ］．实验室研究与探索。２０１３，３２（９）：８６－８９． ［２］ 韩芝侠．基于Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真的电力电子实验系统设计 与实现［Ｊ］．陕西理工学院学报，２００８，２４（２）：２６－３０． ［３］ 陈宏．基于Ｍａｔｌａｂ的电力电子技术课程的教学探索［Ｊ］．实验 室科学，２０１３，１６（１）：５４－５７． 图８显示的是单相逆变电路并运行仿真后的界 面，通过该界面左下角的对话框可以直接修改电路 中的主要元器件参数，包括电压、电容、电感、电阻和 脉宽调制频率。 暮亍・ ■＿谓■的羊辅遵羹电摹 ［４］周渊深．电力电子与ＭＡＴＬＡＢ仿真［Ｍ］．北京：中国电力出版 社，２００５． ［５］ 于群，曹娜．ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ电力系统建模与仿真【Ｍ］．北 京：机械工业出版社，２０１２． ［６］杨贵杰，孙力，崔乃政，等．空间矢量脉宽调制方法的研究 ［Ｊ］．中国电机工程学报，２００１，２１（５）：７９－８３． ［７］ 栾天，高立颍，金志辉．基于ＤＳＰ的三相ＳＰＷＭ波形设计及实 现［Ｊ］．通信电源技术，２０１０，２７（５）：３８－４１． ［８］ 刘继伦．三相电压型ＰＷＭ整流器直接功率控制仿真研究 ［Ｊ］．实验室科学，２０１１，１４（４）：ｌＯ１—１０３． ［９］杨存祥，冯雪，金楠，等．单相ＰＷＭ整流电路控制策略研究 －●＿—●————一 ［Ｊ］．电源技术应用，２０１３（８）：２９８－２９９． Ｉ￡： 墨ｉ 瑚Ｉ曩ｊ莨 瑚圜Ｉ鬣蠢翟蠢麓 圈 ｌ脚＿Ｉ醚 墨曩＿Ｉ 誓潮＿Ｊ ｛ ［１０］张兴，张崇巍．ＰＷＭ整流器及其控制［Ｍ］．北京：机械工业 出版社．２０１２． ［１１］易龙强，戴瑜兴．ＳＶＰＷＭ技术在单相逆变电源中的应用 ［Ｊ］．电工技术学报，２００７，２２（９）：１１２－１１７． ［１２］房绪鹏．Ｚ源逆变器研究『Ｄ］．杭州：浙江大学．２００５． 图８单相逆变电路界面 在弹出该界面的同时，还会自动打开该模型文 件，便于学生掌握模型的搭建及仿真设置。同时可 对输出电压波形进行谐波分析，以检验控制策略的 合理性和有效性。利用该平台得到的ＳＰＷＭ的谐 收稿日期：２０１４－０５－２５ 修改日期：２０１４－０６－２０ 作者简介：郭天勇（１９８１一），男，山东泰安人，博士，实验师， 主要研究方向是电力电子及光伏风力发电系统。
