优秀论文2021-0012:基于MATLAB 的电力电子系统的建模与仿真分析

李富然，曲慧男

为了让广大学子正确认识MATLAB在电力电子系统中建模和仿真的运用，本文通过查阅文献以及实际操作分析的方式针对MATLAB对电力电子系统进行建模和仿真做了简要论述，希望能让更多学子能更好的认识这一建模与仿真工具。

随着计算机技术的发展, 计算机软件为普通科研人员进行电力系统仿真奠定了坚实的基础。在电子电力系统中存在着许多优秀的建模与仿真软件，例如Pspice,Psim,Saber,PLES,MATLAB/Simulink,EMTP/EMTDC/PSCAD、Simetrix/simplis, Multisim, ICAP/4（Isspice）、SCAT、Simplorer等，其中MATLAB 因为其编程效率高、程序设计灵活、图形功能强, 在许多领域得到广泛应用,可以说是当今最流行的科学技术软件, 而且其良好的开放性使得它能够紧跟科技发展的前沿, 因此它也受到了许多学子的青睐。

每个建模仿真软件都有其独特的优点和一些不足之处，但是MATLAB拥有着强大的功能与适用范围，许多学子在软件工具的选择都会倾向于MATLAB，我们将对MATLAB在电力电子系统建模和仿真的做简要论述，让各位学子能更清晰的认识MATLAB，简析其能被广大学子选择的优点

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，意为矩阵工厂（矩阵实验室），软件主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。尤其需要指明的是MATLAB的基本数据单位是矩阵，其中的储存结构都以矩阵形式储存，例如元胞数组（cell）的储存就可等效于分块矩阵。

如下图所示的元胞数组就可看成不同类型数据为分块的分块矩阵。

Simulink是MATLAB软件的扩展，它提供了集动态系统建模、仿真和综合分析于一体的图形用户环境，也是MATLAB实现动态系统建模和仿真的有力工具，其最大的特点之一是其与用户的交互接口是基于Windows的模型化图形输入。而且Simulink 是MATLAB 提供的模型可视化图形输入的动态仿真工具，它为用户提供了许多标准控制系统的仿真模块，基于建模方便，用户只要根据所建立的数学模型和一些具体的仿真要求，从模块库中调出合适的模块通过鼠标的拖放来组合在一起，并根据具体情况设置好参数即可实现系统的仿真，仿真的结果可通过Sinks（输出方式） 模块库中的模块接受并显示出来。其中Simulink 提供的模块库有Simulink，Simscape等，每个模块库又包含相应的功能模块，用户可以根据需要混合使用各库中的模块来组合系统，也可以封装自己的模块，自定义模块库。而其中Simscape可以帮你更快的完成涉及物理、机械工程等领域的仿真，特别是其Eelectrical模块对于电力电子系统的建模与仿真尤其有用,它既保留了MATLAB Simulink 的统一风格, 又突出了电力电子的学科特点, 为电力电子技术的研究与应用提供了一种理想的工具。

在MATLAB 命令窗口输入”Simulink” 命令便打开Simulink Library Browser(模块库浏览器)窗口，选中并展开其中的Simulink，并点击Blank Model就可以直接创建一个空白模型，在空白模型窗口中点击Library Browser（库浏览器）即可在库中选择相应模块进行模型的选择，用鼠标进行元器件间导线的连接后，双击模型即可对相应元器件进行快捷的参数设置，最后对仿真结果数据进行测量（检验建模与仿真是否出错），测量无误后，即完成了建模与仿真操作。

Library Browser 位置

为了让同学们对MATLAB建模与仿真有深刻的认识，下面我们将介绍相对简单的单相半波整流电路（不控制流）的仿真（原理性仿真）。

首先按照前面介绍打开一个空白的模型，在Library Browser（库浏览器）中首先选择Simscape中Electrical中的Powergui（提供仿真环境），然后选择交流电源并设置其交流电电源电压电压峰值为220*sqrt（2） 电流频率为50Hz，二极管（由于二极管参数多且是做原理性仿真，就使用默认参数） 电阻（因为此时只考虑其电阻 将其参数Branch type 更改为 R,将电阻设为 10Ω）。

电路图连接如下所示

仿真电路图

这里的电流，电压表是对电路中各数据的采集，最后使用示波器来记录并显示。在这里我们考虑将负载电压与负载电流放在一起观察，而把输入电压单独拿出观察，但是因为图中负载电流与输入电压都作为了信号线所以并不能并联连接，所以我们在这里插入了一个Mux模型对两信号线进行混合，在线路连接好后，电路已经连接无误。由于电源频率为50Hz且单相半波整流电路的分析不需太多周期所以我们仅运行了0.1秒来进行5个周期的模拟。在运行完成后，示波器的记录显示结果如图所示（已经进行了图形的位置分组，为上下分组）：

示波器显示数据（改进前）

通过观察发现示波器显示图线中图线显示出现曲折与正弦图像不相符，经过我们的讨论与研究发现这是由于运行步长的选取错误导致，因此我们将最大步长从auto更正为1e-4，让图形的的精细度提高，重新运行后就可得到预想中的光滑曲线，其在示波器上显示如图所示：

示波器数据（改进后）

到此仿真结束

在对实例的建模与仿真分析中我们总结了一些使用心得并分析了Matlab/Simulink在建模仿真中的优点

1. 在Library Browser（库浏览器）中的部件众多，覆盖领域广，根据目录逐级查找比较繁琐，可以利用关键词搜索进行部件选择；

2. 性质类似和拓扑结构相近的一类元器件已被综合成用一个模块表示，所以在使用时我们可以通过设置模块参数可变化一系列具有特定性质的不同元器件.如一个并联RLC模块( Parallel RLC Block) 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；

3. 在Simulink的使用上，我们可以直接点击工具条中的启动按钮这要比命令行窗口输入“Simulink”所用等待时间短；

4. Simulink所建立model只能使用英文命名，对于初学者而言，在保存时一个建模仿真的所有model可以利用汉语拼音对这一model进行描述，以便下次的寻找和使用。

5. 在利用Simulink进行建模与仿真之前，初学者可以利用Simulink中的Examples窗口进行对现成仿真实例的分析与学习，例如通过对其中部件的参数进行改变调试，快速掌握其参数设置的方法。

1. 在整个建模过程中Simulink充分体现了其仿真结果的可视性特点，在建模与仿真过程中可随时观察和分析其结果；

2. 其模型化图形输入大大简化了操作，直观的图形页面使选择更容易，其为用户提供了许多标准控制系统的仿真模块，基于建模方便，用户只要根据所建立的数学模型和一些具体的仿真要求，从模块库中调出合适的模块组合在一起，根据具体情况设置好参数即可实现系统的仿真[1]也使得整个过程可以仅通过鼠标的拖动就可以进行模块的选取，而且模型足够简单，可以轻易理解；

3. 系统的建模和实际系统的设计过程非常的相似, 我们使用不需要进行编程, 也无需推导电路、系统的数学模型, 就可以很快地得到系统的仿真结果,通过对仿真结果分析就可以将系统结构进行改进或将有关参数进行修改使系统达到要求的结果和性能, 这样可以极大地加快系统的分析或设计过程[2]；

4. 每个模型都可以相应的设置参数，使其达到自己建模仿真所需的要求。而且在MATLAB中易与模型系统的其它参量接口, 具有多种的仿真分析工具，可以通过仿真分析证明所建模型的正确性；

5. 基于MATLAB强大的图像处理功能可以将，所测量结果图像可使用MATLAB进行处理方便且快捷；

6. MATLAB库函数全部由M 文件组成, 使得用户可以直接进行编辑、添加等, 同时库中的大部分模块可供用户查看、修改, 因此, MATLAB 具有良好的开放性, 适合进行二次开发。同学们可利用MATLAB 所提供的模块, 依据所需仿真的保护模块原理可以自行设计构建仿真模块、构建所需仿真的电网拓扑[3]；

7. 由于MATLAB与数学之间的紧密联系,所以只要两者关系在数学上是等价的就可以使用图形化模型代替数学模型，这大大减弱了我们建模与仿真时对于数学模型的联系。

MATLAB作为当今最流行的科学技术软件, 其良好的开放性使得它能够紧跟科技发展的前沿, 进而为科技发展提供有力的工具，Simulink 软件包是MATLAB 环境下的仿真工具, 其形象、便捷的建模与仿真功能深受用户欢迎，虽然每一个软件都有其优缺点，但MATLAB由于其强大的工具箱能力做到了在各个领域的高度适配性，在电力电子建模和仿真上其简易的模块拖动安放与参数设置特点让初学者更易上手，而对于建模仿真已经入门甚至精通的人来说，其强大的数学处理功能可以轻松显示仿真中的微小变化让仿真更精确真实。

参考文献

[1] 杨兰，杨廷芳，陈众，蔡立红　MATLAB/SIMULINK在继电保护设计中的应用《电气传动自动化》　2006年

[2] 姜春玲，王春玲　基于MATLAB 的Buck 电路的研究《现代电子技术》　2008 年

[3] 章志刚，李兴源　基于MATLAB 开发平台的继电保护仿真系统《四川电力技术》　2003年

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