电力电子电路测试分析中仿真技术的应用
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计算机仿真
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电力电子电路测试分析中仿真技术的应用
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＯｆＭａｔｌａｂＡｐｐｌｙｔｏＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｉｒｃｕｉｔａｎｄＳｙｓｔｅｍ
（河北理工大学）姚
征屈滨
Ｙａｏ，ＺｈｅｎｇＱｕ，ｂｉｎ
摘要：本文介绍如何利用计算机仿真技术对于电力电子技术信号分析进行实验辅助教学的一种方法。利用ＶＢ作为前台用户程序，采用ＭＡＴＬＡＢ的ＳＩＭＵＬＩＮＫ在后台运行软件，制作实验电路测试分析仿真程序，在实验教学中取得了满意的效果。
关键词：仿真技术；ＭＡＴＬＡＢ；ＳＩＭＵＬＩＮＫ；ＶＢ；晶闸管中图分类号：ＴＰ３１２文献标识码：Ｂ文章编号：１００８－０５７０（２００５）８－３－０１６５－０３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄａｋｉｎｄｏｆｍｅｔｈｏｄｗｈｉｃｈｍａｋｅｕｓｅｏｆｔｈｅＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｇｎａｌａｎａｌｙｓｉｓｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｔｅａｃｈｉｎｇ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆＭａｔｌａｂｉｎｔｈｅｃｏｕｒｓｅｏｆｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｓｙｓｔｅｍ；ａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｅｄａｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｏｆｔ－ｗａｒｅｂａｓｅｄｏｎＭＡＴＬＡＢａｎｄＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ；ｗｈｉｃｈｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｅｓａｔｉｓｆｉｅｄｒｅｓｕｌｔｉｎｔｅａｃｈｉｎｇ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣｏｍｐｕｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｉｑｕｅ；Ｍａｔｌａｂ；ＳＩＭ－ＵＬＩＮＫ；ＶＢ；Ｔｙｒｉｓｔｏｒ
１引言
电力电子技术是电气工程三大主要领域的基础边缘学科，且电力电子器件构成的各种线路装置也比较复杂，因此实验操作是必不可少的一个教学环节。但由于实验教学中采用缩小功率的系统进行模拟分析，往往会产生很大误差；同时受实验室条件的限制，很难满足实际需要，导致实验与实际脱节，教学效果不理想。随着计算机技术的发展，采用模拟仿真的手段对电力电子电路进行测试，通过对实际电路的仿真分析，可进一步提高对电路的认识分析和创新能力。所以，为了弥补模拟实验的不足，我们利用计算机仿真的方法，开发实验仿真软件，使学生在实验课中收到良好的效果。
２系统仿真与程序设计
２．１系统仿真设计
计算机仿真是一种“模型实验”，可以灵活构造各种尽可能接近实际的仿真模型，它避免了对真实系统分析的困难和缩小功率系统带来的误差，可以准确模拟系统的性态，具有方便、有效、经济、安全等特点。电力电子系统多为高电压、大电流的大功率系统，在分析和优化设计时使用实际系统进行分析几乎是不可能的，在实验教学中采用缩小功率的系统进行模拟分析往往会产生很大误差，不能准确反映电力电子系统的性态。因此对电力电子系统进行计算机仿真是系统分析、优化设计和较好地完成实验教学的一种必不可少的有效手段。
图１程序设计流程图
２．２ＭＡＴＬＡＢ与ＶＢ的接口
本仿真主要采用ＭＡＴＬＡＢ的ＳＩＭＵＬＩＮＫ进行设计。ＭＡＴＬＡＢ提供的ＳＩＭＵＬＩＮＫ是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件，其扩充性很强，能够根据Ｓ函数的标准格式，写成用户自定义的功能模块；同时也能够调用动态链接（ｄｌｌ文件）类型的应用程序，以便能够通过ＤＤＥ与ＳＩＭＵＬＩＮＫ传递数据，实现与其集成应用的目的。这些功能主要归功于ＭＡＴＬＡＢ系统提供了—个非常重要的组件—ＭＡＴＬＡＢ应用程序接口（ＭＡＴＬＡＢ
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｇｒａｍＩｎｔｅｒｆａｃｅ）。
ＭＡＴＬＡＢ应用程序接口是一个功能完善的接口函数库，通过它可以完成以下功能：①在ＭＡＴＬＡＢ环境中调用Ｃ语言编写的程序②向ＭＡＴＬＡＢ环境传送数据或从ＭＡＴＬＡＢ环境接收数据③在ＭＡＴＬＡＢ和其他应用程序间建立客户机／服务器关系，将ＭＡＴＬＡＢ作为程序一个部件，在其他应用程序中调用，从而降低程序设计的工作量。
图２ＭＡＴＬＡＢ的ＳＩＭＵＬＩＮＫ与ＶＢ的数据交换
ＭＡＴＬＡＢ的ＳＩＭＵＬＩＮＫ与ＶＢ接口方法有Ｍ文
件、ＡｃｔｉｖｅＸ和ＤＤＥ等技术。
软件采用ＡｃｔｉｖｅＸ控件的方法，从ＶＢ中传值给ＭＡＴＬＡＢ；然后用ＤＤＥ（动态数
姚征：助教
电力电子仿真实验
单相
整流整路
单相半波单相桥式半控三相整流电路
三相半波本相桥式全控有或无续流二极管
仿真图形设计
输出波形显示
数据分析
ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ
ＭＡＴＬＡＢＳｉｍｕｌｉｎｋＤＤＥ模块
ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃＡＣｔｉｖｅＸ
控件
１６５－－
技
术
创
新
您的论文得到两院院士关注中文核心期刊《微计算机信息》（管控一体化）２００５年第２１卷第９－３期
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据交换）方法将数据由ＭＡＴＬＡＢ传递给ＶＢ，显示不同参数下的仿真波形（图２所示）。Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ把所有以ＣＯＭ（微软组件对象模型：ＣｏｍｐｏｎｅｎｔｏｂｊｅｃｔＭｏｄｅｌ）为基础的技术统称为ＡｃｔｉｖｅＸ技术，它可使解释性的宏语言（如ＶＢ）能够在不了解应用程序实现细节的情况下对其进行控制。ＭＡＴＬＡＢ实现了ＡｃｔｉｖｅＸ自动化服务支持，在ＶＢ下通过ＡｃｔｉｖｅＸ自动化接口可将ＭＡＴ－ＬＡＢ作为ＶＢ语言的一个ＡｃｔｉｖｅＸ控件来调用。
下面是一段ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ的程序源代码：
（１）开启ＭＡＴＬＡＢ的自动化服务器功能：
ＤｉｍＭａｔｌａｂＡｓＯｂｊｅｃｔ
ＳｅｔＭａｔｌａｂ＝ＣｒｅａｔｅＯｂｊｅｃｔ（＂Ｍａｔｌａｂ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ＂）
（２）ＤＤＥ服务器的使用：
ＴｅｘｔＩｎｐｕｔ．ＬｉｎｋＭｏｄｅ＝ｖｂＬｉｎｋＮｏｎｅ
ＴｅｘｔＩｎｐｕｔ．ＬｉｎｋＴｏｐｉｃ＝＂ＭＡＴＬＡＢ｜Ｅｎｇｉｎｅ＂
ＴｅｘｔＩｎｐｕｔ．ＬｉｎｋＩｔｅｍ＝＂ＥｎｇＥｖａｌＳｔｒｉｎｇ＂
ｓｚＣｏｍｍａｎｄ＝ＴｅｘｔＩｎｐｕｔ．Ｔｅｘｔ
ＴｅｘｔＩｎｐｕｔ．ＬｉｎｋＥｘｅｃｕｔｅ（ｓｚＣｏｍｍａｎｄ）
ＴｅｘｔＩｎｐｕｔ．ＬｉｎｋＭｏｄｅ＝ｖｂＬｉｎｋＮｏｎｅ
２．３仿真图形设计
２．３．１电气系统模块（ＰＯＷＥＲＳＹＳＴＥＭＢＬＯＣＫ－ＳＥＴ）
ＳＩＭＵＬＩＮＫ由一系列模块库组成，用户只要从模块库中拖放适合的模块，组合在一起即可实现系统的仿真，简单易学。特别是电气系统模块（ＰＯＷＥＲＳＹＳＴＥＭＢＬＯＣＫＳＥＴ），可以准确而快速地对电气系统进行仿真，它包含电力电子、自控系统以及电路中常用的基本元件的模型。使用时不需要过多地了解“数值问题”，而是侧重于系统的建模、分析与设计，用户只需打开相应的工具箱，找到相应的信号源、连接线、元器件、测量仪器等，然后按电路原理要求连接，再简单设置所需参数，则一个可在计算机上进行仿真实验的系统就大功告成，从而大大提高了设计的工作效率。
打开ＳＩＭＵＬＩＮＫ的库浏览窗口，选中并展开Ｐｏｗ－ｅｒｓｙｓｔｅｍＢｌｏｃｋｓｅｔｓ模块包，包括以下七部分：①Ｃｏｎ－ｎｅｃｔｏｒｓ（连接器库）。包括水平总线、垂直总线、输入接地、输出接地、中性地等。②ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＳｏｕｒｃｅｓ（电源库）。包括交流电流源、交流电压源、可控电流源、可控电压源和直流电压源等。③Ｅｌｅｍｅｎｔｓ（元件库）。包括断路器、线性变压器、互感器、并联ＲＬＣ支路模块、并联ＲＬＣ负载模块、串联ＲＬＣ负载模块等。④Ｅｘｔｒａｌｉｂｒａｒｙ（附加库）。包括直流电机、同步六脉冲发生器、定时器、三相串联ＲＬＣ负载、三相并联ＲＬＣ负载、三相不可控全桥整流桥与三相全控晶闸管全桥整流桥等。⑤Ｍａ－ｃｈｉｎｅｓ（电机器件库）。包括同步电机与异步电机等。⑥Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ（测量仪表库）。包括电流表、电压表等。⑦Ｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ（电力电子器件库）。包括二极管、ＧＴＯ、
ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ和晶闸管等。ＰｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍＢｌｏｃｋｓｅｔｓ
通过与其它工具箱的联合使用，可以方便地完成单元
谐波分析、频谱分析等，因而ＰｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍＢｌｏｃｋｓｅｔｓ
具有广泛的应用范围。
２．３．２元器件的选择及参数设置
选择元器件时，先要分清单端器件与双端器件。
如图３中的ｓｃｏｐｅ（示波器）就是单端元器件，只有一个
信号输入，而不同于实际示波器一样还需地信号，
ｐｕｌｓｅ—ｇｅｎｅｒａｔｏｒ（脉冲）也属此类元件。双端器件，其选
择和连接与实际电路元器件基本一样，如图３中的
ＡＣ电源有双端连接，负载ＲＬ有输入电流端、输出电
流端；二极管（Ｄｉｏｄｅ）、可控硅（Ｔｙｒｉｓｔｏｒ）都要有电流从正
（阳）极输入，负（阴）极输出，均要形成通路。
另外，选择元器件参数时应考虑各参数之间互相
匹配，比如频率、电压等级要一致（频率５０Ｈｚ、周期
０．０２等），选择二极管、晶闸管时应注意各参数的大致
范围，适当地调节各参数的数值可使输出波形完整、
光滑而没有毛刺。电阻、电感、电容元件的选择一般是
从元件库中调出ＲＬＣ的串联或并联电路。如一个并联
ＲＬＣ模块（ＰａｒａｌｌｅｌＲＬＣＢｌｏｃｋ）通过设置模块参数可
得到具有不同数值的单个Ｒ、Ｌ、Ｃ和它们的任意并联
组合，对于不需要的元件只要在参数设置对话框中使
该参数为零（Ｒ、Ｌ取零、Ｃ取无穷大）即可。
２．３．３仿真实验线路和结果
为了电路图便于分析，列出了元器件及其功能
（见表一）
表１元器件功能模块一览表
由于计算机中修改参数方便，因此通过改变参数
即可观察各种现象。我们对晶闸管组成的单相半波可
控整流电路带电阻电感负载电路（图３）进行了实例性
建模和仿真分析。电压表和电流表的测量结果接示波
器输出，示波器根据需要可以设置成多路和多踪的。
如在三相半波整流电路模型中，使用了信号选择开关
（ｓｅｌｅｃｔｏｒ）和信号分解（ｄｅｍｕｘ）及信号合成（ｍｕｘ）模块，实
图３单相半波可控整流电路
＋｜
－
ＣｕｒｒｅｎｔＩＴ
ａｋ
ｇｍ
＋
－ｖ
ＶｏｌｉａｇｅｕＴ
Ｔｅｌｍｉｎａｔｏｒ
Ｔｈｙｎｉｓｔｏｒ
＋｜
－
Ｃｕｒｒｅｎｔｉｄ
ＡＣＶｏｔｔａｇｅ
Ｐｕｌｓｅ
Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ
＋｜
－
ＳｅｒｉｅｓＲＬＬｏａｄ
Ｅ
Ｈ
ａ
Ｄｌｏｄｅ
＋
－ｖ
Ｖｏｌｔａｇｅｕｄ
ＣｕｎｅｎｔｉＤ
＋
－ｖ
Ｓｃｏｐｅｕ
Ｓｃｏｐｅｉ
ＧｒｏｕｎｄＣｏｕｔｐｕ０
Ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ
ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ１
＆ｗｘ
＋
Ｔｅｌｍｉｎａｔｏｒ
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计算机仿真
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现了在示波器的同一踪中同时显示（以不同颜色来区分）通过多个二极管或晶闸管的电流或电压波形（如图３中Ｓｃｏｐｅｉ），或者在设置示波器属性，使其成为多踪输入（如图３中Ｓｃｏｐｅｕ）。在图４可以明显看出，加了续流二极管以后，输出直流电压μｄ曲波形与电阻负载时—样，与实际情况完全符合．
图４单相半波可控整流电路电感性负载接续流二极管电压波形
注：μｄ负载电压波形
μｇ脉冲波形μＴ晶闸管电压波形
３结束语
由于电力电子器件日新月异地变化，实验室的装置不可能即时更新，因此可利用计算机仿真的优越性将一些目前暂时还无法实现的实验装置运用计算机来模拟。运用ＭＡＴＬＡＢ，将其强大的计算功能与ＶＢ在图形用户界面开发方面的优势结合起来，综合运用。实践证明，通过计算机仿真在这些实验中的应用，提高了学生对电力电子实验的兴趣，巩固和拓宽了学生对计算机的应用能力，同时对实验的内容理解和掌握也起到了触类旁通的作用。
参考文献：
［１］黄俊，王兆安．电力电子变流技术．北京：机械工业出版社，１９９９［２］刘志俭，ＭＡＴＬＡＢ应用程序接口指南．北京：科学出版社，２０００．８
作者简介：姚征，男，１９７８年生，汉族，助教，学士，主要从事自动控制与计算机控制的教学和研究。Ｅｍａｉｌ：
ｌｚｙ＠ｈｅｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ．
Ａｕｔｈｏｒｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ：ＹａｏＺｈｅｎｇ，Ｍａｌｅ，ｂｏｒｎｉｎＮｏｖｅｍｂｅｒ，１９７８．ＮａｔｉｏｎｏｆＨａｎ，ａｓｓｉｓｔａｎｔ，ｂａｃｈｅｌｏｒ，ｒｅ－ｓｅａｒｃｈｉｎｇｏｎａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｃｏｍｐｕｔｅｒ．（０６３００９河北唐山河北理工大学计算机与自动控制学院）姚征屈滨
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｃＣｏｎｔｒｏｌ，ＨｅｂｅｉＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＨｅｂｅｉＴａｎｇｓｈａｎ０６３００９Ｃｈｉｎａ）Ｙａｏ，ＺｈｅｎｇＱｕ，ｂｉｎ
（投稿日期：２００５．１．５）（修稿日期：２００５．１．２０）
（接第１２２页）和不同的应用软件之间传递。
６相关工作比较分析
与卡内基梅隆大学以及国内大学的相关研究相比，系统均基于多主体协作理论，但它们研究重点是建立主体间协作，它们研究中参与协作的引擎完成的功能是相同的，引擎的粒度较大，它们没有考虑建立于多主体协作的应用系统的开发效率。在我们的多引擎协作机制中，每个参与协作的引擎具有不同的功能，引擎粒度较小。我们对于应用系统的开发效率进行了深入的研究。我们认为业务过程应用四个组成要
素：流程（工作流）、
活动行为（操作序列）、参与者（操作主体）、业务单证（操作客体）。在多引擎协作体系下可以实现流程、操作、主体、单证４个要素层面上的零编程的参数化定制。极大的应用系统的开发效率。
７结束语
本文从应用程序的开发效率角度入手，运用了多
主体协作的理论，构建了多引擎协作体系下的协作信息总线的机制，通过对目标的分解，生成调度引擎的知识库，然后调度引擎根据知识库生成协作方案，最终完成协作目标。我们还基于多引擎协作体系结构构建了一个政府资源管理平台，在这个平台的开发过程中，显著的降低了编码和测试的时间，提高了系统的开发效率。今后我们将进一步完善我们的协作信息总线机制和协作方式，将在协作性能和协作的安全性支持等方面作进一步的研究。
参考文献
［１］史忠植．智能主体及其应用．科学出版社．２０００
［２］姚莉，张维明，“组织智能及其实现”，《计算机工程》Ｖｏｌ．２５Ｎｏ．５１９９９
作者简介：赵博慧（１９８０－），女，辽宁鞍山人，硕士研究生。
（１０００８３
北京航空航天大学计算机学院７－２８＃）赵博慧郑小雷张文燚
（投稿日期：２００５．２．２５）（修稿日期：２００５．３．９）
（接第２８页）
作者简介：李俊俊（１９８２－），男（汉），河南，硕士研究生。冯振明，教授，博士生导师，Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｚｍ＠ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ，主要研究方向为信号处理，卫星定位技术，软件无线电等。
（１０００８４
清华大学电子工程系）李俊俊陆明泉冯振明
（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＴｓｉｎｇｈｕａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）Ｌｉ，ＪｕｎｊｕｎＬｕ，ＭｉｎｇｑｕａｎＦｅｎｇ，ｚｈｅｎｍｉｎｇ
（投稿日期：２００５．３．８）（修稿日期：２００５．３．１４）
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图２多引擎协作体系结构下协作信息总线结构
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