1、电力电子技术与电力系统分析matlab仿真培训讲义电气2013级卓班电力电子技术与电力系统分析课程实训报告评语：考 勤（10）守 纪（10）实训过程（20）实训报告（30分）答 辩（30）总成绩（100）专 业： 电气工程及其自动化 班 级：姓 名：学 号：指导教师：兰州交通大学自动化与电气工程学院2016年 1 月 日1 电力电子技术实训报告1.1 实训题目1.1.1电力电子技术实训题目一 一单相半波整流参考电力电子技术指导书中实验三负载，建立MATLAB/Simulink环境下三相半波整流电路和三相半波有源逆变电路的仿真模型。仿真参数设置如下： (1)交流电压源的参数设置和以前实验相关的参
2、数一样。 (2)晶闸管的参数设置如下：R=0.001，Lon=0H，Vf=0.8V，Rs=500，Cs=250e-9F (3)负载的参数设置 RLC串联环节中的R对应Rd，L对应Ld，其负载根据类型不同做不同的调整。 (4)完成以下任务：仿真绘出电阻性负载（RLC串联负载环节中的Rd= ，电感Ld=0，C=inf，反电动势为0）下=30，60，90，120，150时整流电压Ud，负载电流Ld和晶闸管两端电压Uvt1的波形。仿真绘出阻感性负载下（负载Rd=，电感Ld为，反电动势E=0）=30，60，90，120，150时整流电压Ud，负载电流Ld和晶闸管两端电压Uvt1的波形。仿真绘出阻感性反电
3、动势负载下=90，120，150时整流电压Ud，负载电流Ld和晶闸管两端电压Uvt1的波形，注意反电动势E的极性。(5)结合仿真结果回答以下问题：该三项半波可控整流电路在=60，90时输出的电压有何差异?在MATLAB/Simulink环境下仿真如何设置控制角？1.1.2 仿真思路分析1)单相半波整流电路单相半波整流电路式全控整流电路实质上是三相半波共阴极组与共阳极组整流电路的串联。在任何时刻都必须有两个晶闸管导通才能形成导电回路，其中一个晶闸管是共阴极组的，另一个晶闸管是共阳组的。6 个晶闸管导通的顺序是按 VT6 VT1 VT1 VT2 VT2 VT3 VT3 VT4 VT4 VT5 VT
4、5 VT6 依此循环，每隔 60 有一个晶闸管换相。为了保证在任何时刻都必须有两个晶闸管导通，采用了双脉冲触发电路，在一个周期内对每个晶闸管连续触发两次，两次脉冲前沿的间隔为 60 。对于三相半波整流电路，在晶闸管和负载参数给定后，主要是脉冲发生器模块的参数设置，由于交流电压源的频率为25Hz，则Pulse模块的脉冲周期为0.04s，脉冲宽度设置为脉宽的50%，脉冲高度为1，脉冲移相角通过“相位角延迟”对话框进行设置。由于三项半波整流电路的移相角零位定在三相交流电压的自然换流点，所以在计算延迟角时，还必须增加30相位。且对于电阻性负载(0，150)，对于阻感性负载(0，90)，在电源频率为25
5、Hz时，这一角度对应的延迟时间为0.0033s。另外，Pulse模块依次延迟120，对应的时间为0.0132s。以下是不同的移相角对应的脉冲触发角：=00时,Pulse1=0.0033s，Pulse2=0.0166s，Pulse3=0.0300s。=30时,Pulse1=0.0066s，Pulse2=0.0200s，Pulse3=0.0333s。=60时,Pulse1=0.0100s，Pulse2=0.0233s，Pulse3=0.0366s。=90时,Pulse1=0.0133s，Pulse2=0.0266s，Pulse3=0.0400s。=120时,Pulse1=0.0166s，Pulse
6、2=0.0300s，Pulse3=0.0433s。=150时,Pulse1=0.0200s，Pulse2=0.0333s，Pulse3=0.0466s。相对误差设置为0.001v，开始仿真时间为0，停止仿真时间为0.1。2)三相有源逆变电路要使整流电路工作于逆变状3)直流降压斩波电路要使整流电路工作于逆变状4)单相交流调压电路要使整流电路工作于逆变状态，必须有两个条件：变流器的输出Ud能够改变极性。因为晶闸管的单向导电性，电流Id不能改变方向，为了实现有源逆变，必须去改变Ud的电极性。只要使变流器的控制角90即可。必须要有外接的直流电源E，并且直流电源E也要可以改变极性，并且|E|Ud|。上述
7、条件必须同时满足，才能实现有源逆变。所以，三相有源逆变电路的设置基本和三相半波整流电路相同，只是E设置为120V，且要求晶闸管的控制角90,Ud为负值，直流电动势的极性和晶闸管的导通方向一致，其值大于变流器直流侧的平均电压即|Ed|Ud|。1.1.3 电路原理图及MATLAB/Simulink环境下仿真模型(1)三相半波整流电路1) 三相半波整流电路系统原2) 三相半波整流电路系统模型图如图2所示：图2 三相半波整流电路系统模型图(2)三相有源逆变电路1) 三相有源逆变电路系统原理图如图3所示：图3 三相有源逆变电路系统原理图2) 三相有源逆变电路系统模型图如图4所示：图4 三相有源逆变电路系
8、统模型图2)运行结果见附录一。1.1.4 回答以下思考题：如何解决主电路和触发电路的同步问题?在本实验中，主电路三相电源的相序可任意设定吗? 答：采用宽脉冲触发或双脉冲触发发式。在本实验中使脉冲宽度大于1/6个周期。在除法某个晶闸管的同时，前一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲替代宽脉冲。在本实验的整流及逆变时，对角有什么要求？为什么? 答：在本实验的整流时，移相角度角度为0-90，这是因为当移相角度超过90就会进入逆变状态。1.1.5 结合仿真结果，回答以下问题该三相半波可控逆变电路在=60，90时输出的电压有何差异?答：因为Ud=2.34U2cos，所以为90时Ud为0。而为60时是有输出电
9、压的。 在MATLAB/Simulink环境下仿真如何设置控制角？答：=0时,Pulse1=0.0033s，Pulse2=0.0166s，Pulse3=0.0300s。 =30时,Pulse1=0.0066s，Pulse2=0.0200s，Pulse3=0.0333s。 =60时,Pulse1=0.0100s，Pulse2=0.0233s，Pulse3=0.0366s。 =90时,Pulse1=0.0133s，Pulse2=0.0266s，Pulse3=0.0400s。 =120时,Pulse1=0.0166s，Pulse2=0.030s，Pulse3=0.0433s。 =150时,Pulse
10、1=0.0200s，Pulse2=0.033s，Pulse3=0.0466s。2 电力电子技术实训报告2.1 实训题目2.1.1电力电子技术实训题目一题目：单相交流交流变换电路1)单相交流调压电路(1)带电阻性负载的单相交流调压电路仿真首先绘制单相交流调压电路原理图，并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。 参数设置： 交流电压源的参数设置 交流电压峰值：100400V之间；初始相位：0；电源频率：50Hz 晶闸管的参数设置Rn =0.001，Lon =0H，Vf =0.8，Rs =500，Cs=3.0e-7F 负载的参数设置（RLC串联环节）R =100500，L=0H，C=
11、inf 脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置 取=0和30（或45、60）分别设置Pulse模块参数（自己考虑）。 仿真时间和误差参数设置 设相误差为1.0e-31.0e-4之间； 开始仿真时间：0； 结束仿真时间：0.10.2之间（即510个电源周期）；完成以下任务： 仿真绘制出不同值时的负载电压、负载电流、流过某只晶闸管电流、晶闸管端电压以及某只晶闸管上的触发信号的波形。(2)带阻感性负载的单相交流调压电路仿真 首先绘制单相交流调压电路原理图，并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。 参数设置： 交流电压源的参数设置 交流电压峰值：100400V之间；初始相位：0；电源频
12、率：50Hz 晶闸管的参数设置Rn =0.001，Lon =0H，Vf =0.8，Rs =500，Cs=3.0e-7F 负载的参数设置（RLC串联环节）R =100500，L=0.10.2H，C=inf 脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置 取=0和30及=（或=45、60）分别设置Pulse模块参数（自己考虑）。 仿真时间和误差参数设置 设相误差为1.0e-31.0e-4之间； 开始仿真时间：0； 结束仿真时间：0.10.2s之间（即510个电源周期）；完成以下任务： 仿真绘制出不同值时的负载电压、负载电流、流过某只晶闸管电流、晶闸管端电压以及某只晶闸管上的触发信号的波形。2)单相交流调功
13、电路(1)带电阻性负载的单相交流调功电路仿真 首先绘制单相交流调功电路原理图，并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。 参数设置： 交流电压源的参数设置 交流电压峰值：100400V之间；初始相位：0；电源频率：100Hz 晶闸管的参数设置Rn =0.001，Lon =0H，Vf =0.8，Rs =500，Cs=3.0e-7F 负载的参数设置（RLC串联环节）R =100500，L=0H，C=inf 脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置取调功电路占空比分别为0.25和0.5，自行设置Pulse模块参数。 仿真时间和误差参数设置 设相误差为1.0e-31.0e-4之间； 开始仿
14、真时间：0； 结束仿真时间：0.10.2之间（即1020个电源周期）； 完成以下任务：仿真绘制出不同占空比时的负载电压、流过某只晶闸管电流、晶闸管端电压以及某只晶闸管上的触发信号的波形。(2)分析并回答交流调压与交流调功的电路结构是否相同，控制方式有何不同？两者对脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置有何不同？3)单相斩控式交流调压电路首先绘制电阻性负载单相交流调压电路原理图，并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。 参数设置： 交流电压源的参数设置 交流电压峰值：100400V之间；初始相位：0；电源频率：50Hz 负载的参数设置（RLC串联环节） R =100300，L=0
15、H，C=inf 脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置 取触发信号的脉冲宽度为20%和50%，分别设置Pulse模块参数（自己考虑）。 仿真时间和误差参数设置 设相误差为1.0e-31.0e-4之间； 开始仿真时间：0； 结束仿真时间：0.10.2之间（即510个电源周期）； 完成以下任务： 仿真出触发信号的脉冲宽度为20%和50%时的电源电压、负载电压、负载电流、流过某只IGBT的电流、IGBT端电压以及IGBT上的触发信号的波形。(2)分析并回答比较斩控式交流调压电路与相控交流调压电路的功率因数有何不同？两者对脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置有何不同？2.1.2 仿真思路分析1)单相
16、交流调压电路所谓交流调压就是将两个晶闸管反并联后串联在交流电路中，在每半个周期内通过控制晶闸管的开通相位，可以方便的调节输出电压的有效值。当为电阻负载时，电路图中的晶闸管VT1和VT2也可以用一个双向晶闸管代替。在交流电源U1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角进行控制就可以调节输出电压。换言之，在仿真过程中设置晶闸管脉冲频率与电源频率相同，通过控制晶闸管脉冲的相位滞后角即可改变触发角的大小从而调节输出电压。当为阻感负载时，由于电感的作用，使得其输出电压不仅与晶闸管的触发脉冲有关还与负载的阻抗角有关，但其控制方式与电阻负载时相同。2)单相交流调功电路 交流调功电路和交流调压电路的
17、电路形式完全相同，只是控制方式不同。交流调功电路不是在每个交流电源周期都通过触发延迟角对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。因此，在仿真过程中，需要设置晶闸管触发脉冲的周期为电源周期的N倍，通过调节脉冲宽度来改变负载与交流电源接通和断开的周波数。3)单相斩控式交流调压电路一般采用全控型器件作为开关器件，其基本原理和直流斩波电路类似，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路输入的是正弦交流电压。在交流电源的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在负半周，用V2
18、进行斩波控制，用V4给负载电流提供续流通道。设斩波器件V1、V2的导通时间为ton，开关周期为T，则导通比为=ton/T，和直流斩波电路一样，通过改变来调节输出电压U0。因此，在仿真过程中，需要设置晶闸管触发脉冲的周期为电源周期的1/N倍，然后根据题目要求设置脉冲宽度即可得出题目所需波形。2.1.3 电路原理图及MATLAB/Simulink环境下仿真模型1)单相交流调压电路原理图及仿真模型(1)带电阻性负载的单相交流调压电路原理图如图5所示，仿真模型如图6所示。图5 带电阻性负载的单相交流调压电路原理图图6 带电阻性负载的单相交流调压电路仿真模型(2)带阻感性负载的单相交流调压电路原理图如图
19、7所示，仿真模型如图8所示。图7带阻感性负载的单相交流调压电路原理图图8 带阻感性负载的单相交流调压电路仿真模型2)单相交流调功电路原理图及仿真模型单相交流调功电路原理图如图9所示，仿真模型如图10所示。图9 单相交流调功电路原理图图10 单相交流调功电路仿真模型3)单相斩控式交流调压电路原理图及仿真模型单相斩控式交流调压电路原理图如图11所示，仿真模型如图12所示。图11 单相斩控式交流调压电路原理图图12 单相斩控式交流调压电路仿真模型2)运行结果见附录二。2.1.4 回答以下思考题：交流调压与交流调功的电路结构是否相同，控制方式有何不同？答：交流调功电路和交流调压电路的电路结构完全相同，
20、只是控制方式不同。交流调压电路中，在交流电源u1的正半周和负半周，分别对VT1和VT2的触发延迟角进行控制就可以调节输出电压。而交流调功电路不是在每个交流电源周期都通过触发延迟角对输出电压波形进行控制，而是将负载与交流电源接通几个整周波，再断开几个整周波，通过改变接通周波数与断开周波数的比值来调节负载所消耗的平均功率。两者对脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置有何不同？答：交流调压电路应设置晶闸管脉冲周期与电源周期相同，通过控制晶闸管触发脉冲的相位滞后角来改变触发角的大小从而调节输出电压。交流调功电路应根据需要设置晶闸管触发脉冲的周期为电源周期的N倍，通过调节触发脉冲宽度来改变占空比以调节负
21、载与交流电源接通和断开的周波数。比较斩控式交流调压电路与相控式交流调压电路的功率因数有何不同？答：在斩控式交流调压电路中，电源电流的基波分量是和电源电压同相位的，即位移因数为1，电源电流中不含低次谐波，只含和开关周期T有关的高次谐波，这些高次谐波用很小的滤波器即可滤除，这时电路的功率因数接近1。在相控式交流调压电路中，相控作用使电流发生滞后，并且波形也发生畸变，所以即使纯电阻负载功率因数也不为1。而且控制角越大，功率因数越小，这是相控电路普遍存在的一个缺点。两者对脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置有何不同？答：斩控式交流调压电路应设置晶闸管触发脉冲的周期为电源周期的1/N倍，然后根据题目要
22、求设置触发脉冲的宽度即可调节输出电压。相控式交流调压电路应设置晶闸管触发脉冲的周期与电源周期相同，通过控制晶闸管触发脉冲的相位滞后角来改变触发角的大小从而调节输出电压。3 电力系统分析实训报告3.1 题目一3.1.1 题目题目：同步发电机突然三相短路暂态过程的仿真假设一台有阻尼绕组的同步发电机，PN =200MW，UN =13.8kV，fN =50Hz，xd=1.0，xq=0.6，r =0.005，xf=0.18，xD=0.1，xQ=0.25，TD=2s，。若发电机空载，端电压为额定电压，端子突然发生三相短路，且0=0，利用MATLAB/Simulink (或ETAP)建立仿真模型，并根据已知
23、参数对各模块进行参数设置。1)合理选择仿真算法和故障模块中的短路类型，仿真结束时间取为1s，试完成同步发电机端发生突然三相短路故障的暂态过程仿真，并绘制：给出各个元件模块参数设置的窗口图；短路发生后的三相定子电流波形；短路发生后的定子电流的d轴和q轴分量id、iq以及励磁电流if的波形；2)改变故障模块中的短路类型，合理选择仿真算法，仿真结束时间取为1s，试完成同步发电机端突然发生BC两相短路故障的暂态过程仿真，并绘制：给出各个元件模块参数设置的窗口图；短路发生后的三相定子电流波形；短路发生后不同的三相定子电流的d轴和q轴分量id、iq的波形；3)分析并回答对应0=0，故障模块中的短路发生时间
24、该如何设置？需要进行哪些潮流计算？3.1.2 仿真思路分析在分析同步发电机突然三相短路暂态过程时，可以利用叠加定理，这样同步发电机机端突然短路相当于在发电机端口处突然加上了与电机短路前的端电压大小相等但方向相反的三相电压。在定子绕组上突然加以对称的相电压后，为了保持其无源电路的磁链不变，在其定子绕组中将要引起相应的瞬变电流，而且这些瞬变电流还要按照一定的时间常数逐步衰减至稳态值。当发电机突然短路时，定子各绕组电流将包含基频分量、倍频分量和直流分量。到达稳态后，定子电流起始值中的直流分量和倍频分量将由其起始值以时间常数按指数规律衰减到零，而基频分量则由其起始值以时间常数、按指数规律衰减为相应的稳
25、态值。同样，在转子绕组中也包含直流分量和同频率交流分量。3.1.3 同步发电机突然三相短路暂态过程的数值计算利用MATLAB对突然三相短路后的定子电流进行计算的基本步骤如下：首先计算各衰减时间常数。查阅资料可得，。由于空载时，其中、为短路前瞬间的空载电势、机端电压，所以可得a相定子电流表达式为利用MATLAB对上式进行数值计算并绘图的m文件程序清单见附录3。运行程序得到发电机端突然发生三相短路时的a相定子电流，以及基频分量Ia、倍频分量Ia1和非周期分量Ia2的波形见附录三，如图3-1所示 ，并且短路后的冲击电流标幺值为9.1927。3.1.4 同步发电机突然三相短路暂态过程的仿真1)同步发电
26、机端突然发生三相短路故障的暂态过程仿真 (1)同步发电机突然三相短路暂态过程的仿真模型如图13所示。 (2)各个元件模块参数设置的窗口图。同步发电机模块的参数设置如图14所示，升压变压器模块的参数设置如图15所示，利用Powergui模块的潮流计算和电机初始化窗口计算初始参数如图16所示。图13 同步发电机突然三相短路暂态过程的仿真模型图14 同步发电机模块的参数设置图15 升压变压器模块的参数设置图16 利用Powergui模块的潮流计算和电机初始化窗口计算初始参数2)同步发电机端突然发生BC两相短路故障的暂态过程仿真 (1)同步发电机突然三相短路暂态过程的仿真模型如图12所示。 (2)各个
27、元件模块参数设置的窗口图。故障模块的参数设置如图17所示。图17 故障模块的参数设置3.1.5 MATLAB/Simulink环境下仿真波形及分析回答1)同步发电机端突然发生三相短路故障的暂态过程仿真波形(1)发电机端突然三相短路时的定子电流仿真波形图见附录三，图2所示。 (2)发电机端突然三相短路时id、iq 以及if 的电流仿真波形图见附录三，图3所示。2)同步发电机端突然发生BC两相短路故障的暂态过程仿真波形 (1)发电机端突然BC两相短路时的三相定子电流仿真波形图见附录三，图4所示。 (2)发电机端突然BC两相短路时A、B、C三相定子电流的id、iq 的电流仿真波形图见附录三，图5所示
28、。3)分析回答对应0=0，故障模块中的短路发生时间该如何设置？答：从图15中可以看出 ，a相电流滞后a相电压4.43，即电流与电压波形的过零点相差0.25ms。因此在故障模块中设置0.02025s时发生三相短路故障（对应）。需要进行哪些潮流计算？4 选做题4.1 自选题目4.1.1电力电子技术自选题目1.电压型单相全桥逆变电路绘制电压型单相全桥逆变电路原理图，并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。参数设置：直流侧电压Ud=100V完成任务：该电路共有四个桥臂，其中VT1和VT4一对，VT2和VT3一对，设置成对的两个桥臂同时导通，两对交替导通180。仿真绘出阻感性负载（R=1
29、0，L=0.1H）下交流侧输出电压uo及电流io以及晶闸管VT1上电压波形。思考题：若使用移相调压方式调节输出电压，VT1、VT2、VT3、VT4的触发脉冲参数应如何设置？假设=30。4.1.2仿真电路实验仿真电路如图18所示。图18 电压型单相全桥逆变电路Simulink仿真4.1.2 实验结果 输出电压uo及电流io及晶闸管VT1上电压分别如图19，图20，图21所示。图19若使用移相调压方式调节输出电压，VT1、VT2、VT3、VT4的触发脉冲参数（假设=30）设置如附录四所示。5归纳总结经过四周的课程设计，是我加深了对本学期的电力电子技术和电力系统分析课程的进一步深入的理解，并且，此次
30、的课程设计与本学期电力电子技术、电力系统分析课程的基础理论紧密结合。实训期间，我完成了电子电子技术的三相半波整流与有源逆变电路和单相交流交流变换电路的MATLAB仿真，以及电力系统分析中同步发电机突然三相短路暂态过程的仿真等课题。电子电子技术MATLAB仿真涉及三相半波整流电路，有源逆变电路，交流调压电路、交流调功电路、斩控式交流调压电路，通过绘制电路原理图，在simulink环境下建立其仿真模型并进行参数设置，利用示波器观察输入、输出及器件的电压电流波形，加深了对相关电路的认识，并逐渐掌握了simulink仿真方法。通过电力系统的暂态过程分析与仿真，学习了电力系统元件模型及模型库的使用，让我在今后的学习中的目标更加明确，使我受益匪浅。6 参考文献1李传琦等.电力电子技术计算机仿真实验M.北京:电子工业出版社,2007.2于群,曹娜等.MATLAB/Sim
