电力电子建模 第七章
电力电子技术第7章 电力电子技术的仿真
学习指导
本章将应用一些典型的电力电子电路的仿真 实例，说明一些常用典型模块的使用方法和参数 设置意义和方法。在学习本章时，应该首先熟悉 SimPower System工具箱，了解各个模块库，这样 有助于快速找到所要的元件，提高搭建仿真系统 的效率。在进行仿真之前，应该对仿真对象有正 确的理解，对系统中各个组成部分的特性也应该 有一个比较清晰的了解，并会合理地设置参数和 选择恰当的数值计算方法等。
7.2 Simulink的模型库浏览器
Simulink称为MATLAB的一个工具箱(Toolbox)。Simulink 包括Simulink仿真平台和系统仿真模型库两部分，主要 用于仿真以数学函数和传递函数表达的系统，包含连续 系统、非线性系统和离散系统的仿真。
它能够实现动态系统建模和仿真的环境集成，且可以根 据设计及使用要求，对系统进行修改与优化，以提高系 统工作的性能，实现高效开发系统的目的。
该工具箱中有主要有Electrical sources（电源）、Elements（元 件）、Power Electronics（电力电子）、Machines（电机系统）、 Measurements（测量）和Extra Library（附加）等模块组。
7.2 Simulink的模型库浏览器
Electrical sources（电源）模块组 电源模块组包括：直流电压源、交流电压源、交流电流源、
电力电子技术的仿真
7.1 概述 7.2 Simulink的模型库浏览器 7.3 仿真步骤 7.4 驱动模块 7.5 电力电子变换电路的仿真
7.1 概述
仿真的意义
基本电力电子系统还应包括负载单元（电动机或者其他机电设 备构成）以及计算机控制电路单元（由模拟或数字信号电路构 成），形成了一个复杂的非线性的数模变量混合的系统。这种 复杂系统在建立实际模型时，在设计和分析过程中会有很大的 困难，使得传统的利用硬件面包板对设计进行验证的方法越来 越不可行。
电力电子技术课程-软开关
Inverter bridge variations
n
2
1 LC
R 1 L 2 C
Damping condition:
L 4LC 0 R
1
RP S LLK
1 LLK C S
LLK
LLK CS
0.5
吸收电路（Rectifier snubber)
电压钳位(Voltage clamp)
iD
Ii
iDS
iCoss
u gs u gs
u DS , iDS
Ii
irr
t
Vo
Reverse recovery charge Qrr vs.
dI F dt
iD
Ii
t
I RM
Turn-on loss in switch and Fred
t
trr
1 2 Aturn _ on QrrVo I i uDS dt CossVo 2 0
Turn-on switching loss is reduced
零电压开通Zero voltage switch on(ZVS on) Turn on with zero voltage
Overlap time is zero integral of multiplication of uds and ids is 0
Current is leading ZCS switching
io
D1D4
S1 S 4
D2 D3
S 2 S3
D1D4
S1 S 4
(c )
fs fo 处于感性工作状态
io
S1
Vdc
S2
【电力电子技术习题解答】期末考试题库第7章
第7章 思考题与习题7.1高频化的意义是什么？为什么提高开关频率可以减小滤波器和变压器的体积和重量？答：高频化可以减小滤波器的参数，减小变压器的体积从而使装置小型化、轻型化； 提高开关频率，可以减小滤波器的电感和电容的参数，减小滤波器的体积和重量；当变压器输入正弦波时，fNBS U 44.4 ，频率升高时，可以减小N 和S 的参数，从而减小变压器各绕组的匝数和铁心的尺寸，使变压器的体积减小，重量减轻，。
7.2何谓软开关和硬开关？怎样才能实现完全无损耗的软件关过程？答：如果开关器件在其端电压不为零时开通则称为硬件通，在其电流不为零时关断则称为硬关断。
硬开通、硬关断统称为硬开关。
在硬开关过程中，开关器件在较高电压下承载有较大电流，故产生很大的开关损耗。
如果在电力电子变换电路中采取一些措施，如改变电路结构和控制策略，使开关器件被施加驱动信号而开通过程中其端电压为零，这种开通称为零电压开通；若使开关器件撤除其驱动信号后的关断过程中其承载的电流为零，这种关断称为零电流关断。
零电压开通和零电流关断是最理想的软开关，其开关过程中无开关损耗。
如果开关器件在开通过程中端电压很小，在关断过程中其电流也很小，这种开关过程的功率损耗不大，称之为软开关。
7.3零开关，即零电压开通和零电流关断的含义是什么？答：使开关开通前的两端电压为零，则开关导通过程中就不会产生损耗和噪声，这种开通方式为零电压开通；而使开关关断时其电流为零，也不会产生损耗和噪声，称为零电流关断。
7.4试分析图题7.4两个电路在工作原理上的差别，并指出它们的异同点。
图题7.4答：相同点：都是零电压开关准谐振电路。
不同点：（a ）图在（b ）图软开关的电容上串了一个电阻，7.5软开关电路可以分为哪几类？其典型拓扑分别是什么样的？各有什么特点？答：准谐振变换电路、零开关PWM 变换电路和零转换PWM 变换电路。
见教材“7.1 , 7.2”7.6准谐振变换器与多谐振变换器的区别是什么？答：准谐振变换电路分为零电压开关准谐振变换电路（ZVS QRC ）与零电流开关准谐振变换电路（ZCS QRC ）。
《电力电子建模与仿真》课程教学大纲(本科)
《电力电子建模与仿真》课程教学大纲课程编号：081052111课程名称：电力电子建模与仿真英文名称：Modeling and Simulation of Power Electronics课程类型：专业课课程要求：选修学时/学分：32/2（讲课学时：16 实验学时：0 上机学时：16）适用专业：自动化一、课程性质与任务电力电子建模与仿真是自动化专业的专业选修课。
为自动化专业的学生将来进行课程设计、毕业设计以及走向工作岗位后从事电力电子电路相关设计提供有力的计算机仿真工具。
通过本课程的学习，学生可以掌握当今广泛流行的MATLAB \SIMULINK仿真软件、仿真环境。
掌握电力电子变流电路、电机调速系统计算机仿真的基本原理及方法，为以后的课程设计、毕业设计等打下基础。
本课程在教学内容方面着重基础知识、基本概念、仿真方法的讲解；在实践能力方面着重培养学生的系统建模能力和仿真分析能力，使学生具备一定的使用MATLAB \SIMULINK仿真软件解决实际电力电子工程问题的能力。
二、课程与其他课程的联系先修课程：《电力电子技术》、《电力电子与能源变换》、《变频器原理与应用》，这些课程中学习到的知识都为本课程的学习提供理论基础，这些课程的原理、方法、电路都可以通过本课程学习的MATLAB \SIMULINK建模与仿真方法对其验证。
三、课程教学目标1．通过本课程的学习，使学生掌握MATLAB\SIMULINK仿真环境和模块库；掌握电力电子器件模型和电动机模型；掌握电力电子变流电路的仿真；掌握直流调速系统的仿真；能用MATLAB/SIMULINK仿真工具对电力电子工程问题进行合理的建模和仿真计算，达成毕业要求1.1、1.5。
2．在课堂教学过程中适当讲解使用MATLAB\SIMULINK软件如何解决实际的电力电子工程问题，如何对实际工程问题进行适当的简化，并且在模拟过程中能够综合考虑模型简化所带来的局限性，以及如何处理实际工程问题中的约束，并得到合理的设计，达成毕业要求3.3、5.2。
电力电子技术第7章 脉宽调(PWM)技术
17-82
7.2.1 计算法和调制法
一般在输出电压半周期内，器件通、断各2k次， 考虑到PWM波四分之一周期对称，k个开关时 刻可控，除用一个自由度控制基波幅值外，可 消去k－1个频率的特定谐波。 k的取值越大，开关时刻的计算越复杂。 除计算法和调制法外，还有跟踪控制方法，在
7.3节介绍。
18
• 第5、6章已涉及到PWM控制：第5章直流斩波 电路采用的就 PWM 技术；第 6 章的 6.1 斩控式 调压电路和6.4矩阵式变频电路都涉及到了。
2
2-82
第七章 PWM控制技术• 引言
• PWM控制的思想源于通信技术，全控型器件的发展使得实
现PWM控制变得十分容易。
• PWM技术的应用十分广泛，它使电力电子装置的性能大大 提高，因此它在电力电子技术的发展史上占有十分重要的
在ur的半个周期内，三角波 载波不再是单极性，而是有 正有负，所得PWM波也有正 有负，其幅值只有±Ud两种 电平。 ur正负半周，对各开关器件 的控制规律相同。
N fc 9 fr
Vcm Vrm
vc
2p
0
wt
vr
v ab
VD
p
2
0
3p 2
2p
p
2
wt
VD
d1
d2
图7-6 双极性PWM控制方式波形23
24-82
7.2.1 计算法和调制法
u O uo uof uc ur
u ur uc
wt
O
wt
uo Ud O -Ud
uo Ud
u of
uo
wt
O
-Ud
wt
图7-5 单极性PWM控制方式波形
电力电子技术课后习题重点(第五章~第七章)
4-4电压型逆变电路中反馈二极管的作用是什么？为什么电流型逆变电路中没有反馈二极管？在电压型逆变电路中,当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率,直流侧电容起缓冲无功能量的作用。
为了给交流侧向直流侧反馈的无功能量提供通道,逆变桥各臂都并联了反馈二极管。
当输出交流电压和电流的极性相同时,电流经电路中的可控开关器件流通，而当输出电压电流极性相反时,由反馈二极管提供电流通道。
4-8.逆变电路多重化的目的是什么?如何实现?串联多重和并联多重逆变电路备用于什么场合?答:逆变电路多重化的目的之一是使总体上装置的功率等级提高,二是可以改善输出电压的波形。
因为无论是电压型逆变电路输出的矩形电压波,还是电流型逆变电路输出的矩形电流波,都含有较多谐波,对负载有不利影响,采用多重逆变电路,可以把几个矩形波组合起来获得接近正弦波的波形。
逆变电路多重化就是把若干个逆变电路的输出按一定的相位差组合起来,使它们所含的某些主要谐波分量相互抵消,就可以得到较为接近正弦波的波形。
组合方式有串联多重和并联多重两种方式。
串联多重是把几个逆变电路的输出串联起来,并联多重是把几个逆变电路的输出并联起来。
串联多重逆变电路多用于电压型逆变电路的多重化。
并联多重逆变电路多用于电流型逆变电路的多重化。
在电流型逆变电路中,直流电流极性是一定的,无功能量由直流侧电感来缓冲。
当需要从交流侧向直流侧反馈无功能量时,电流并不反向,依然经电路中的可控开关器件流通,因此不需要并联反馈二极管。
5-1简述图5-la 所示的降压斩波电路工作原理。
答：降压斩波器的原理是：在一个控制周期中，让V 导通一段时间on t 。
，由电源E 向L 、R 、M 供电，在此期间，Uo=E 。
然后使V 关断一段时间off t ，此时电感L 通过二极管VD 向R 和M 供电，Uo=0。
一个周期内的平均电压0on offE t U t ⋅=⋅输出电压小于电源电压,起到降压的作用。
5-2．在图5-1a 所示的降压斩波电路中，已知E=200V ，R=10Ω，L 值微大，E=30V ，T=50μs ，ton=20μs ，计算输出电压平均值U o ，输出电流平均值I o 。
电力电子技术第7章斩波调压电路
第七章斩波调压电路7.1 基本斩波电路7.2 复合斩波电路和多相多重斩波电路7.3 带隔离的直流直流变流电路引言■直流-直流变流电路（DC/DC Converter），也称斩波电路，包括直接直流变流电路和间接直流变流电路。
■直接直流变流电路◆功能是将直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电。
◆一般是指直接将直流电变为另一直流电，这种情况下输入与输出之间不隔离。
■间接直流变流电路◆在直流变流电路中增加了交流环节。
◆在交流环节中通常采用变压器实现输入输出间的隔离，因此也称为直—交—直电路。
7.1 基本斩波电路7.1.1 降压斩波电路图7-1 降压斩波电路的原理图及波形a ）电路图b ）电流连续时的波形c ）电流断续时的波形■降压斩波电路（Buck Chopper）◆电路分析☞使用一个全控型器件V ，图中为IGBT，若采用晶闸管，需设置使晶闸管关断的辅助电路。
☞设置了续流二极管VD ，在V关断时给负载中电感电流提供通道。
☞主要用于电子电路的供电电源，也可拖动直流电动机或带蓄电池负载等，后两种情况下负载中均会出现反电动势，如图中E m 所示。
◆工作原理☞t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压u o =E ，负载电流i o 按指数曲线上升。
☞t=t 1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压u o 近似为零，负载电流呈指数曲线下降，通常串接较大电感L 使负载电流连续且脉动小。
◆基本的数量关系☞电流连续时√负载电压的平均值为: E E T t E t t t U on offon on o α==+=√负载电流平均值为: 式中t on 为V处于通态的时间，t off 为V处于断态的时间，T 为开关周期，α为导通占空比，简称占空比或导通比。
RE U I m o o −=☞电流断续时，负载电压u o 平均值会被抬高，一般不希望出现电流断续的情况。
◆斩波电路有三种控制方式☞脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变t on 。
电力电子系统建模与控制三相PWM整流器动态建模
侧三相线电压与直流侧电压的关系为
xab sa sb sab xbc sb sc vdc sbc vdc xca sc sa sca
第7章 三相PWM整流器动态建模
定义虚拟电流iab、ibc、ica，并满足
这样设计直流侧电压环就变得非常容易，可以将直流 侧对象近似为积分环节，然后将电压环校正成典型II系 统，也可以将电压环PI调节器的零点与直流侧对象的 极点对消，然后将电压环校正成典型I系统。
vref + Kv(τvs+1)/(τvs) idref 1/(Tsvs+1) id RLDd/(RLCs+1) vdc
ia=iab-ica ib=ibc-iab ic=ica-ibc iab+ ibc +ica=0
则有，ia- ib= iab-ica-（ibc-iab）=2 iab-（ica+ ibc）
=3iab， iab=（ia- ib）/3， 同理ibc=（ib- ic）/3，ica=（ic- ia）/3。
第7章 三相PWM整流器动态建模 由表5-1可得
第7章 三相PWM整流器动态建模
将τv设计成与RLC相等，则可将电压环校正成典型I
型系统。因此有 τv =RLC
第7章 三相PWM整流器动态建模
三相PWM整流器仿真系统中，交流侧滤波电感
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Kii f n 1320 Hz 2 Kip
7 25
式中，Kip和Kii分别为PI调节器的比例和积分 系数，如图7-9所示。
接下来要确定的是补偿后的穿越频率ƒc。在 图7-10中画出了补偿前后幅频特性的示意图。 其中曲线l为补偿前被控系统的幅频特性，曲线 2为PI控制器的幅频特性，曲线3为补偿后的幅 频特性。从曲线3可以看到，补偿后的幅频特性 在低频段以-20dB／dec下降，过了滤波器的转 折频率ƒn后以-40dB／dec降，保证了对高频段 的衰减。 在确定穿越频率ƒc时，如果穿越频率选得 比较低，则在低频段的增益比较小，会影响系 统的快速跟随性能；如果穿越频率比较靠近滤 波器的转折频率，则在低频段可以得到比较大
7.2
逆变输出滤波器设计
SPWM逆变器中，逆变器的输出LC滤波器主 要用来滤除开关频率及其邻近频带的谐波， 如图7-5所示。考察一个滤波器性能的优劣首 先是看它对谐波的抑制能力，具体可以从THD 值来体现，另外需要尽量减小滤波器对逆变 器的附加电流应力。电流应力增大，除使器 件损耗及线路损耗加大外，另一方面也使功 率元件的容量增大。THD值要小的要求与滤波 器引起的附加电流应力小的要求往往是矛盾 的。下面将从分析二阶LC滤波器特性着手探 讨滤波器的设计方法。
vi
所以有
vi
Ts
vm E Vtri
Ts
(7 7)
vm
E Vtri
(7 8)
因此，从调制器输入至逆变桥输出的传递函数 为 Vi s E (7 9) K pwm Vm s Vtri 从式(7-9)可以看出，在SPWM中，载波频率 (开关频率)远高于输出频率时，逆变桥部分可 以看成是一个比例环节，比例系数即为KPWM。 结合式(7-1)和式(7-9)，可得到调制器 输入至逆变器输出的传递函数
G1 s K pwm R LCRs 2 Ls R
7 23
从上式可以看出，被控系统是一个二阶系统。 滤波器的转折频率为
fn 1 2 LC
7 24
内环采用的是PI控制器，在设计PI控制器的 参数时，把PI控制器的零点设置在滤波器的 转折频率处，这样就有
fz
在分析被控对象模型时，可以以单相半桥式 电路来分析。单相半桥式电路如图7-2所示， 图中E1、E2：表示正、负直流母线电压；S1、 S2为半导体开关器件；L为输出LC滤波器的滤 波电感，r为其等效串联电阻，Ｃ为LC滤波器 的滤波电容；R为负载。 在逆变电路控制模型中，参考正弦波 Vmsin(ωt)和三角波比较得到的脉冲去控制各 功率开关器件。由于开关状态是不连续的， 分析时我们采用状态空间平均法。状态空间 平均法是基于输出频率远小于开关频率的情
7.3
控制参数设计
在数字控制系统中，控制参数的设计有两 种常用的途径：一种是先把被控对象进行离散 化，然后再设计数字控制参数；另一种是直接 在时域内设计控制参数，再把设计的控制器离 散化。在本文中采用后面一种途径。 本文中所采用的控制方法是电压瞬时值控 制。另外为了保证输出波形有效值精度，在瞬 时值环外面加了一个平均值环来对输出波形的 幅值进行调整。这样，内环通过瞬时值控制获 得快速的动态性能，保证输出畸变率较低，
，
LC ；
G j
为阻尼比。 这是一个典型的二阶振荡系统，频率特性为
n2 2 j 2n n2
1 1 j 2 n n
2
1 2R
L C
A e
j
(7 12)
式中
根据式(7-12)，可以求得对数幅频特性为
vi
Ts
E 2 S
Ts
1
(7 4)
这里(vi)TS表示vi的开关周期平均值。而S的开关 周期平均值 (7 5) S D t
Ts
式中，D(t)为占空比。
由图7-3得到
vm 1 D 1 2 Vtri
(7 6)
式中，vm为参考正弦波信号；Vtri为三角载 波峰值。把式(7-6)代人式(7-4)有
外环使用输出电压的平均值控制，具有较高的 输出精度。 通过7.1和7.2节对逆变桥和输出LC滤波器 模型的分析，在忽略电感L和电容C的寄生电阻 后，系统的控制框图如图7-9所示。图中G1(s) 为被控对象，其中Kpwm=E／Vtri(参见式7-17)为 逆变桥的增益，R/(LCRs2+Ls+R)为忽略电感L、 电容C的寄生电阻后的LC滤波器传递函数。 H1(s)和H2(s)分别为内环和外环的PI(比例积 分)调节器。输出电压经整流滤波后得到直流 量与给定参考信号的有效值进行比较，得到的 误差信号经外环调节器后的输出作为内环参考
2
பைடு நூலகம்
（7-1）
当忽略滤波电感的等效串联电阻r时，式(7-1) 可以简化为
G s 1 L 2 CLs s 1 R
（7-2）
双极性SPWM调制时，vi可以表示为
vi E(2S 1)
式中，S为开关函数。
(7 3)
当S1(或VD1)导通时，S=1；当S2(或VD2)导通 时，S=0。 显然，由于开关函数S的存在，式(7-3)中 vi不连续。对式(7-3)求开关周期平均，得到
的增益，改善系统的快速跟随性能。但另一方 面从图7-6中可以看到，如果穿越频率靠近滤波 器的转折频率，在阻尼比ξ 小(逆变器空载或轻 载)的情况下，转折频率及其邻近频率的增益有 可能大于1，同时如果穿越频率靠近滤波器的转 折频率，也会使补偿后的相角裕度变小。从上 面分析可以得到结论：穿越频率往低频靠，可 以提高系统的稳定性,但会使快速跟随性能变差； 如果穿越频率往滤波器转折频率移，可以改善 系统的快速跟随性能，但会使系统稳定裕量下 降。所以在确定穿越频率时，应在系统稳定性 与系统动态响应中得到一个比较折衷的选
1 1 fn f s 16k z 1.6k z 10 10
(7 14) (7 15)
也就是
1 2 LC
1.6kHz
从图7-6中LＣ滤波器幅频特性可以看出，高 于转折频率时，幅频特性以-40dB下降。所以 取LC滤波器的转折频率为开关频率的1/10后， 开关频率处的谐波通过LC滤波器后，有接近 -40dB的衰减。 如图7-7，当参考给定瞬时值为vm时，根 据式(7-6)，输出的脉宽t2为
正弦波的幅值，这个幅值乘以单位正弦波后作 为内环给定信号。内环给定信号与输出电压瞬 时值比较，得到误差信号经内环PI调节器运算， 得到内环的控制信号。最后这个控制信号被送 入PWM发生器，与三角载波调制比较后产生的 PWM信号经驱动电路后对逆变桥的半导体开关 进行控制。
7.3.1 瞬时值内环参数设计 从图7-9可以看出，内环被控系统的开环 传递函数为(反馈系数K1取1)：
Ts t2 2 vm 1 Vtri
(7 16)
式中，Ts为开关周期， Ts =1/ ƒs 。
在稳定后的理想系统中，输出电压vo可表示为 vm (7 17) vo E Vtri
在t2时间内流过滤波器电感的脉动电流∆iL为
E vo Ts vm v iL t2 1 L L 2 Vtri vm E E 2 2 vm ETs Vtri vm Vtri Ts 1 2 L 2 Vtri 2 LVtri
况下，在一个开关周期内，用变量的平均值 代替其瞬时值，从而得到连续状态空间平均 模型。 由图7-2，可以推出输出电压V0(s)和a、 b两点电压Vi (s)之间的传递函数G(s)
1 Vo s G s Vi s 1 Cs R 1 1 Cs R Ls r 1 r L LCs rC s 1 R R
择。这里，选穿越频率为转折频率的1/10，所 以有
1 fc f n 132 Hz 10
7 26
补偿后的内环传递函数为
G s Kip s Kii s K pwm R LCRs Ls R
1 2 Vo s n LC Go s 2 (7 11) 2 Vi s s 2 1 s 1 s 2n s n RC LC 1 1 n n 式中， LC 为无阻尼自然振荡角频率，
在图7-2中，忽略电感电阻及线路阻抗，滤 波器输出电压相对于逆变桥输出电压的传递 函数为
L 20lg 20lg 1 n
2 2 2 2 n
(7 13)
L 的低频段， 1 ， 0 ； 1 在 的高频段， 1 2 2 ， 40lg 。 L 所以，低频段渐近线是一条零分贝的水平线， 而高频段渐近线是一条斜率为-40dB的直线。 1 1 这两条线相交处的交接频率为 。在交 接频率附近，幅频特性与渐近线之间存在一 定的误差，其值取决于阻尼比ξ 的值，阻尼 0.707 比愈小，则误差愈大。当 时，在对 数幅频特性上出现峰值。该二阶LC低通滤波 器系统的波特图如图7-6所示。
Vo s Vo s Vi s Go s Vm s Vi s Vm s E rV L LCs 2 rC s 1 tri R R 1
(7 10)
根据传递函数Go(s)的表达式，可以得到其 等效方框图如图7-4所示。
(7 18)
从上式可以看出，当vm =0时，电流脉 动最大。最大电流脉动△ILmax可以用下式算 得
L max ETs E 2 L 2 Lf s
(7 19)
式中，E为直流母线电压，L为电感值，ƒs为开 关频率。 从式(7-19)中可以看出，滤波电感上的最 大谐波电流△Lmax。和电感L的 值成反比。结合式(7-19)和式(7-15)，最后选 取滤波电感和电容。 如果取滤波电感L=660μ H，滤波电容 C=22μ F，滤波电感的最大电流脉动 △ILmax为