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1、MATLAB仿真在电力电子实践教学中的应用 以直流稳压闭环控制系统的数字仿真为例，分析了电力电子系统的MATLAB建模方式，内容有主电路设计与参数分析、控制系统设计、仿真实现。此模型运用PID控制器能方便地调节PWM调制中占空比，实现了对电压输出的稳定控制，有助于促进学生更快更好地理解、分析和掌握电力电子技术，在实践中增强教学效果。 在高校电气专业的课程中，“电力电子技术”是一门理论性和实践性都很强的重要课程，既涵盖电路、电子、控制理论、电机学、电力系统等多学科课程交叉内容，又有整流、逆变、斩波、调压调频等独特多样的理论，课程涉及内容纷繁多样。 与其他课程相比较而言，这门课程的突出特点之一是采
2、用了多种电路来分析不同波形。如果采用计算机模拟电力电子电路，既能省去诸多实际困难，便于搭建复杂电路，又能使学生抓住电路本质特点，给学生带来深刻的实践体验，因此对教和学这两方面都十分方便。 电力电子技术的计算机仿真软件有多种，比如MATLAB、PSPICE、SABER和PSCAD等，都是功能强大、操作方便的科学与工程计算软件。但各有特点，其中MATLAB适合于较为复杂的控制系统建模，在国内外电力电子教学中已得到广泛应用。MATLAB中具有以Simulink为运行环境的电力系统工具箱（Simpower System Blockset），包含了电路、电力电子、电机等电气工程学科中常用的元件模型库，以
3、及强大的分析功能。 现代电力电子技术以MOSFET、IGBT为主要器件，以脉冲宽度调制（PWM）的斩控方式展开的，其中DC/DC变换是基本的变换方式，也是实践中最为普遍的应用方式之一。从系统的角度学好这种变换形式将为全面掌握现代电力电子技术奠定良好的基础。 随着开关电源的应用，以及光伏、燃料电池等新能源发电、智能电网的迅速发展，通过建立一套直流稳压闭环控制的电力电子变换系统，结合MATLAB特点进行讲解，有利于提高学生兴趣和掌握这门课程基础。下面以此为教学应用案例加以阐述。 一、直流斩波器及闭环控制系统 1.总体设计方案 在以光伏、风力和燃料电池等新能源发电过程中，由于受到环境因素的影响，输出
4、的直流电压将在一定范围内波动，并且电压较低，这样就需要先将不稳定的低压直流电转换为稳定的较高电压直流电，再通过逆变环节供给交流负载。可用升压型（Boost）DC/DC电路作为主电路，并采用PI调节器自动调节占空比，输出稳定的直流电压，这样就能构成一个直流稳压闭环控制系统。图1为稳压电路系统框图，从中可知该系统中由新能源发出的不稳定的直流电源Ui，经过由PID控制器和PWM发生器构成的闭环控制系统，发出适当占空比不同的PWM驱动信号，驱动DC/DC变换器后，从而可获得稳定的输出电压Uo。 2.主电路设计与参数分析 在总体方案明确的基础上，要求学生自己搭建Matlab仿真电路。设计方案要求为将一个
5、输入电压在90210V的不稳定电源电压升到稳定的310V，纹波电压低于0.5%，负载电阻为5，开关管为MOSFET，其开关频率为20kHz。 图2为Boost主电路仿真图。为了便于分析，本案例使用了交流电源和二极管构成的不控整流器，模拟输入具有不稳定电压的直流电源。因电源的参数为150（1+0.4sint）V，可知输入直流电压的变化范围在90210V。 主电路采用由电感、MOSFET管、二极管构成的Boost升压电路。在电流连续模式下进行计算，可求出各参数如下 （1）占空比的变化范围。由Boost电路升压公式，得到占空比与输入和输出电压的关系为 将输入最低电压UImin=90V和最高电压UIm
6、ax=210V代入上式，可分别求出最大和最小占空比值分别约为Dmax=0.71；Dmin=0.32。它们将作为PI控制中的占空比幅值的限定值。 （2）临界电感值。根据电感电流临界连续条件 由前设条件，在式（2）中可取R=5，TS=1/20kHz，并将最小Dmin=0.32代入，求得L=18.5H。实际电感值可取临界值的1.2倍，即电感值L约取24H。 （3）电容值。由指定纹波电压限值，需要的电容值可根据下式求得 考虑到实际中电容值留有裕量，这里可取电容值C约取1500F。 3.控制系统设计 在图1的控制电路中，利用PI调节器进行闭环控制，将输入直流电压为90210V的不稳定电压升到稳定的直流3
7、10V。由图1可知，控制系统环节包括两个部分 一是PWM发生器电路，采用了三角载波和调制波信号相比较的电路。为产生开关管的开关频率20kHz，则取三角载波的工作频率也为20kHz。调制波信号来自于设定电压值与实际电压值相比较后，经PID控制器后而得到。 二是PID控制器电路。这里面包括了PID控制器和限幅电路。关于限幅电路中的上下限的求取，可根据三角载波与占空比的最大和最小值相比较分别得到。 4.仿真实现 在MATLAB下的Simulink环境中，对所建立的模型进行了仿真验证。在仿真的过程中，需分步骤进行 第一步是对主电路的仿真，验证求取得主电路参数是否合适。先搭建主电路模型，接线并设置元器件
8、参数。其中可取稳定的输入直流电压为UImin=90V、占空比参数D=0.71以及UImax=210V、占空比参数D=0.32时分别进行验证，如果都能得到输出电压为UO=310V，说明主电路设计满足要求。图2中Display显示的是输出电压平均值为309.9V，说明主电路参数选择合适。 图3为Boost主电路仿真波形。从上到下依次为MOSFET门极触发脉冲Ug、电感电流iL、MOSFET电流iT、二极管电流iD和输出电压Uo。由图中可以观测到电感L中电流连续。根据图中输出电压Uo的最大值为310.5V和最小值为309V，可计算出纹波电压为0.29%，满足纹波设计要求。 第二步是对控制电路的仿真，
9、验证求搭建的控制电路及参数是否合适。由控制信号与三角载波构成比较电路，用以生成PWM脉冲信号。此电路既可以选用比较器Relational Operator，也可以使用条件选择开关Switch，可将此电路封装为一个子系统命名为PWM Generator。 第三步是将主电路和控制电路放在一起进行综合调试，再调整个别参数。图4为稳压系统图，这是电路的最终设计方案。设置的PID参数分别为Kp=0.05、Ki=0.003、Kd=0。仿真时间为0.06S，数值算法采用ode23t。仿真参数设置完成后即可启动仿真。 图5为稳压系统的仿真波形，图中从上到下依次为输入电压波形Us、MOSFET门极触发脉冲Ug、
10、电感电流iL和输出电压Uo。可以看出，随着输入电压的波动，门极触发脉冲占空比也在不断的调整跟踪，使得输出电压基本保持稳定在310V。 通过这个教学案例，学生熟悉整个设计和调试过程，从中看到了波形的变化，领悟其中原因，增强了感性认识，掌握了知识。 二、总结 本文以直流电压闭环控制系统为例介绍了MATLAB仿真在电力电子教学中的应用，利用MATLAB 的电力系统模块库可以对所研究的对象进行数字仿真，了解电气参数变化的影响、特别是PWM调制中占空比的变化对输出电压的影响，运用了PI控制器实现了对电压输出的稳定控制，验证理论分析结果。 使用MATLAB/ SIMULINK可以解决实验条件对电力电子课程教学造成局限的问题，能够灵活模拟新颖且实用的电气系统，可以方便快捷地分析和设计电力电子电路，比较直观地进行仿真，具有经济、安全、快捷等优点。这有助于激发兴趣，促进学生更好地理解问题、分析问题和解决问题，在实践中理解并举一反三，增强教学效果。 第 7 页