MATLAB仿真在电力电子教学中的应用

1、MATLA仿真在电力电子教学中的应用作为专门研究电能变换、控制的一门交叉性学科 , 电力电子 技术已经渗透到了生产、生活的各个方面。 1 从电力系统的角 度看 ,在发、输、配、用各环节都已经受益于电力电子技术的应 用。从学科教学的角度看 , 电力电子已经成为自动化、电气工程 类专业学生重要的专业基础课。 2,3 在国家强制“节能减排” 的大环境下 , 电力电子技术的教学和应用得到了更加广泛和深入 的关注。研究电力电子教学的新方法、提高课堂教学效果、提高 学生对电力电子技术的掌握程度和应用水平 , 就具有了更加重要 的现实意义。电力电子技术是一门实用性很强的学科 , 其组合变换电路的 拓扑结构、

2、工作过程、器件开关模式都非常复杂。传统教学方法 中, 采用结合板书、 挂图方式讲解 , 往往很难兼顾横向 （同一时刻、 不同器件 ） 、纵向（不同时刻 ）变换电路的工作情况和关键参数变 化, 学生想在讲解中抓住重点也非常困难。随着计算机技术和仿 真技术的飞速发展 , 各种专业的仿真工具的功能越来越全面、强 大, 在电力电子课堂教学采用仿真实例教学的方法在实践上变成 可能。在电力电子教学中采用实例仿真的教学方法 , 可以展现整 个变换电路工作过程 , 能够对各种关键参数、器件开关状态进行 动态演示。另外,仿真过程可以多次重复 , 反复观察一些关键时间 点和关键器件的变化情况。 无疑实例仿真教学法

3、可以大大提高学 生的可接受程度 , 使学生对讲授内容理解得更为深刻。MATLAB/Simulink 是一个通用的仿真平台 , 建立在该平台上 的各种工具箱 ,能够大大简化仿真模型的搭建工作 , 因而在科研 和教学当中得到了广泛的应用。 4-6 在 Simulink5.1 以上版本 中加入了实体模型仿真的概念 , 功能更加强大 ,SimPowerSystems 就是实体模型仿真的模块库之一 , 该模块库包含了电力电子仿真 的各种基本器件和必要控制算法 , 为仿真教学方法在电力电子教 学中的应用提供了良好的技术平台。一、电力系统仿真模块库简介在 Simulink5.1 以后的版本中 , 用于电力系

4、统仿真的模型库 引入了实体模型仿真的概念,并且改名为SimPower Systems。该 模型库包含 7个子模型库 , 常用的有以下 6 个模型库。(1) 电源模型库。 包括单、三相交流电源 , 受控源和直流电源。(2) 无源元器件库。包括电阻、电容、电感和变压器等常见 的无源元器件。(3) 电机模型库。包括各种直流、交流电机和发电机等的模 型。(4) 测量模型库。包括各种单、三相的电流、电压测量模块。(5) 电力电子模型库。包含了晶闸管、GTQ功率MOSFETIGBT等器件的模型，还包含了通用开关桥电路模型。(6) 附加模型库。 附加模型库又包含多个子模型库 , 其中的控 制模型库最常用 ,

5、 三相可控整流触发信号发生器、模拟与数字滤 波器、PWM信号发生器等都包含在这个模型库中使用 Simulink 进行电力电子仿真的步骤包括 : 变换器电路 分析、控制策略制定、 选取适当的电力电子器件模型搭建主电路、 选取适当的通用仿真模型搭建控制和驱动部分电路、 给定初始化 参数、启动仿真过程、仿真后端数据处理和图形化等。二、典型教学应用案例以文献所述的串联谐振直流环节 DC-DC变换器为例，系 统原理电路如图 1 所示。上图中的电感L和电容C组成二阶串联谐振电路，整个变换 器的工作过程包括 6 个工作模态 , 如果以标幺制表示的电容电压 VnC和电感电流inL作为坐标系，那么这6个工作模态

6、在（VnC,inL） 平面上可以用 4 个半圆和 2 个点表示。具体的计算分析过程可以 参阅文献 7 。上述电路的重点是向学生讲解谐振环节C丄器件中的电压和电流变化 , 引出轨迹图的概念 , 进而从轨迹图上某些特定点阐 明开关器件的零电流通断过程。 讲解过程至少需要兼顾 6 种电路 工作模态下三个电路部分的状态：S1、S2的通断状态、二极管 DA- DD的续流和导通状态、VnC和inL的变化波形。如果把三个 电路部分作为横向 ,6 个工作模态作为纵向 , 则知识点纵横交叉 , 前后衔接的情况非常复杂 , 要巨细靡遗地讲清楚这么多信息非常 困难 , 学生想要在课堂授课时间理解和掌握也是有困难的。

7、以演 示方式结合板书绘制的 Vnc-inL 轨迹图如图 2 所示。接合 Simulink 仿真方式 , 可以从纵向上把 6 个工作模态分开 仿真中每完成一个工作模态就可以暂停 , 对该模态中的各个元器 件的工作状态、电压电流进行详细的分析 , 无疑可以大大提高教 学效果。下图是在 Simulink5.1 版本环境下建立的串联谐振直流环节DC-DC变换器仿真模型。在图3的模型中用一个IGBT加反并联二极管代替图1中的 S1、S2开关以及与之反并联的二极管，用电容+电阻并联的方式 代替直流电压源负载 Vo, 用一个 Multimeter 模块测量电路中的 各个参数。虽然 Multimeter 模块

8、可以对仿真模型中的每个元器 件的电压、 电流进行测量 , 但为了叙述方便起见 , 这里只给出最关 键的负载稳态电压 V和VnC-inL平面上的系统工作轨迹的测量 结果。仿真模型中的电感量为L=1mH电容值为C=1 nf,谐振环节的 谐振频率为:为了实现DCM工作模式，控制IGBT开关频率的为79kHz,直 流电压型负载的电压波形如图 4 所示。当V0到达恒定状态时，变换器在VnC-inL平面上的轨迹也进 入了稳定状态 , 此时可以暂停仿真过程 , 对变换器的各个工作过 程进行详细的讲解。完整的 LC谐振环节在VnC-inL平面上的系 统轨迹如图 5 所示。上述仿真模型以及仿真过程形象地把整个谐

9、振变换器的工 作过程和轨迹图展示出来 ,整个过程是动态进行的 , 图形变化是 连续的,讲解是连贯的 , 无疑对于学生来说能够更加直观地理解 所讲授内容。三、效果评估及总结 通过在现代电力电子的教学实践中使用 MATLAB/Simulink 仿真环境 , 收到了以下几个方面的良好效果。首先, 实现了理论与实践的紧密结合。电力电子是一门实践 性很强的课程 ,通过把教材上的理论和案例用仿真模型实现 , 再 现理论分析的结果 ,可以使学生了解到整个电路的工作过程 , 便 于学生理解教学内容。 通过仿真过程还可以增强学生对于所学内 容活学活用的能力。其次, 增加了学生的学习兴趣。应用基于MATLAB/Simulink的仿真模型，可以用模型库中的示波器、XY图形把仿真电路中的电压、电流进行直观的表现 , 把枯燥的知识用另一种方式表达出 来, 增加教学过程的互动性 , 比单纯课堂讲解的方式更生动 , 利于 学生更好地接受所学的知识。 通过安排和鼓励学生自己动手进行 仿真模型搭建、观察、实验 , 激发了学生对电力电子技术的学习 兴趣。最后，通过MATLAB/S