MATLAB仿真在電力電子實踐教學中的應用

摘要：以直流穩(wěn)壓閉環(huán)控制系統(tǒng)的數字仿真為例，分析了電力電子系統(tǒng)的MATLAB建模方式，內容有主電路設計與參數分析、控制系統(tǒng)設計、仿真實現(xiàn)。此模型運用PID控制器能方便地調節(jié)PWM調制中占空比，實現(xiàn)了對電壓輸出的穩(wěn)定控制，有助于促進學生更快更好地理解、分析和掌握電力電子技術，在實踐中增強教學效果。

關鍵詞：MATLAB建模；PWM；閉環(huán)控制；電力電子仿真教學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）12-0126-02

在高校電氣專業(yè)的課程中，“電力電子技術”是一門理論性和實踐性都很強的重要課程，既涵蓋電路、電子、控制理論、電機學、電力系統(tǒng)等多學科課程交叉內容，又有整流、逆變、斬波、調壓調頻等獨特多樣的理論，課程涉及內容紛繁多樣。

與其他課程相比較而言，這門課程的突出特點之一是采用了多種電路來分析不同波形。如果采用計算機模擬電力電子電路，既能省去諸多實際困難，便于搭建復雜電路，又能使學生抓住電路本質特點，給學生帶來深刻的實踐體驗，因此對教和學這兩方面都十分方便。

電力電子技術的計算機仿真軟件有多種，比如MATLAB、PSPICE、SABER和PSCAD等，都是功能強大、操作方便的科學與工程計算軟件。但各有特點，其中MATLAB適合于較為復雜的控制系統(tǒng)建模，在國內外電力電子教學中已得到廣泛應用。MATLAB中具有以Simulink為運行環(huán)境的電力系統(tǒng)工具箱（Simpower System Blockset），包含了電路、電力電子、電機等電氣工程學科中常用的元件模型庫，以及強大的分析功能。

現(xiàn)代電力電子技術以MOSFET、IGBT為主要器件，以脈沖寬度調制（PWM）的斬控方式展開的，其中DC/DC變換是基本的變換方式，也是實踐中最為普遍的應用方式之一。從系統(tǒng)的角度學好這種變換形式將為全面掌握現(xiàn)代電力電子技術奠定良好的基礎。

隨著開關電源的應用，以及光伏、燃料電池等新能源發(fā)電、智能電網的迅速發(fā)展，通過建立一套直流穩(wěn)壓閉環(huán)控制的電力電子變換系統(tǒng)，結合MATLAB特點進行講解，有利于提高學生興趣和掌握這門課程基礎。下面以此為教學應用案例加以闡述。

一、直流斬波器及閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.總體設計方案

在以光伏、風力和燃料電池等新能源發(fā)電過程中，由于受到環(huán)境因素的影響，輸出的直流電壓將在一定范圍內波動，并且電壓較低，這樣就需要先將不穩(wěn)定的低壓直流電轉換為穩(wěn)定的較高電壓直流電，再通過逆變環(huán)節(jié)供給交流負載。可用升壓型（Boost）DC/DC電路作為主電路，并采用PI調節(jié)器自動調節(jié)占空比，輸出穩(wěn)定的直流電壓，這樣就能構成一個直流穩(wěn)壓閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1為穩(wěn)壓電路系統(tǒng)框圖，從中可知該系統(tǒng)中由新能源發(fā)出的不穩(wěn)定的直流電源Ui，經過由PID控制器和PWM發(fā)生器構成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，發(fā)出適當占空比不同的PWM驅動信號，驅動DC/DC變換器后，從而可獲得穩(wěn)定的輸出電壓Uo。

2.主電路設計與參數分析

在總體方案明確的基礎上，要求學生自己搭建Matlab仿真電路。設計方案要求為：將一個輸入電壓在90～210V的不穩(wěn)定電源電壓升到穩(wěn)定的310V，紋波電壓低于0.5%，負載電阻為5Ω，開關管為MOSFET，其開關頻率為20kHz。

圖2為Boost主電路仿真圖。為了便于分析，本案例使用了交流電源和二極管構成的不控整流器，模擬輸入具有不穩(wěn)定電壓的直流電源。因電源的參數為150（1+0.4sinωt）V，可知輸入直流電壓的變化范圍在90～210V。

主電路采用由電感、MOSFET管、二極管構成的Boost升壓電路。在電流連續(xù)模式下進行計算，可求出各參數如下：

（1）占空比的變化范圍。由Boost電路升壓公式，得到占空比與輸入和輸出電壓的關系為：

將輸入最低電壓UImin=90V和最高電壓UImax=210V代入上式，可分別求出最大和最小占空比值分別約為：Dmax=0.71；Dmin=0.32。它們將作為PI控制中的占空比幅值的限定值。

（2）臨界電感值。根據電感電流臨界連續(xù)條件：

由前設條件，在式（2）中可取R=5Ω，TS=1/20kHz，并將最小Dmin=0.32代入，求得L=18.5μH。實際電感值可取臨界值的1.2倍，即電感值L約取24μH。

（3）電容值。由指定紋波電壓限值，需要的電容值可根據下式求得：

考慮到實際中電容值留有裕量，這里可取電容值C約取1500μF。

3.控制系統(tǒng)設計

在圖1的控制電路中，利用PI調節(jié)器進行閉環(huán)控制，將輸入直流電壓為90～210V的不穩(wěn)定電壓升到穩(wěn)定的直流310V。由圖1可知，控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)包括兩個部分：

一是PWM發(fā)生器電路，采用了三角載波和調制波信號相比較的電路。為產生開關管的開關頻率20kHz，則取三角載波的工作頻率也為20kHz。調制波信號來自于設定電壓值與實際電壓值相比較后，經PID控制器后而得到。

二是PID控制器電路。這里面包括了PID控制器和限幅電路。關于限幅電路中的上下限的求取，可根據三角載波與占空比的最大和最小值相比較分別得到。

4.仿真實現(xiàn)

在MATLAB下的Simulink環(huán)境中，對所建立的模型進行了仿真驗證。在仿真的過程中，需分步驟進行：

第一步是對主電路的仿真，驗證求取得主電路參數是否合適。先搭建主電路模型，接線并設置元器件參數。其中：可取穩(wěn)定的輸入直流電壓為UImin=90V、占空比參數D=0.71以及UImax=210V、占空比參數D=0.32時分別進行驗證，如果都能得到輸出電壓為UO=310V，說明主電路設計滿足要求。圖2中Display顯示的是輸出電壓平均值為309.9V，說明主電路參數選擇合適。

圖3為Boost主電路仿真波形。從上到下依次為MOSFET門極觸發(fā)脈沖Ug、電感電流iL、MOSFET電流iT、二極管電流iD和輸出電壓Uo。由圖中可以觀測到電感L中電流連續(xù)。根據圖中輸出電壓Uo的最大值為310.5V和最小值為309V，可計算出紋波電壓為0.29%，滿足紋波設計要求。

第二步是對控制電路的仿真，驗證求搭建的控制電路及參數是否合適。由控制信號與三角載波構成比較電路，用以生成PWM脈沖信號。此電路既可以選用比較器Relational Operator，也可以使用條件選擇開關Switch，可將此電路封裝為一個子系統(tǒng)命名為PWM Generator。

第三步是將主電路和控制電路放在一起進行綜合調試，再調整個別參數。圖4為穩(wěn)壓系統(tǒng)圖，這是電路的最終設計方案。設置的PID參數分別為Kp=0.05、Ki=0.003、Kd=0。仿真時間為0.06S，數值算法采用ode23t。仿真參數設置完成后即可啟動仿真。

圖5為穩(wěn)壓系統(tǒng)的仿真波形，圖中從上到下依次為輸入電壓波形Us、MOSFET門極觸發(fā)脈沖Ug、電感電流iL和輸出電壓Uo?？梢钥闯觯S著輸入電壓的波動，門極觸發(fā)脈沖占空比也在不斷的調整跟蹤，使得輸出電壓基本保持穩(wěn)定在310V。

通過這個教學案例，學生熟悉整個設計和調試過程，從中看到了波形的變化，領悟其中原因，增強了感性認識，掌握了知識。

二、總結

本文以直流電壓閉環(huán)控制系統(tǒng)為例介紹了MATLAB仿真在電力電子教學中的應用，利用MATLAB 的電力系統(tǒng)模塊庫可以對所研究的對象進行數字仿真，了解電氣參數變化的影響、特別是PWM調制中占空比的變化對輸出電壓的影響，運用了PI控制器實現(xiàn)了對電壓輸出的穩(wěn)定控制，驗證理論分析結果。

使用MATLAB/ SIMULINK可以解決實驗條件對電力電子課程教學造成局限的問題，能夠靈活模擬新穎且實用的電氣系統(tǒng)，可以方便快捷地分析和設計電力電子電路，比較直觀地進行仿真，具有經濟、安全、快捷等優(yōu)點。這有助于激發(fā)興趣，促進學生更好地理解問題、分析問題和解決問題，在實踐中理解并舉一反三，增強教學效果。

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（責任編輯：王祝萍）