课程设计2

课程设计2

1电力电子技术拓展实验与MATLAB仿真

1.1题目

1．三相半波整流与有源逆变电路

1）采用DJDK-1 型电力电子技术及电机控制实验装置，参照电力电子技术实验指导书中实验三的实验要求、注意事项和负载参数（负载R d=500Ω；电感L d 选用200mH），将实验电路接成三相半波整流电路和三相半波有源逆变电路，并完成：

（1）利用实验数据，画出电路的移相特性U d = f(α)。

（2）利用实验数据，画出触发电路的传输特性α = f (U ct)。

（3）利用实验数据，画出电阻性负载下（负载R d=500Ω；电感L d为0）α=30°、60°、90°、120°、150°时的整流电压U d、负载电流I d和晶闸管两端电压U VT1的波形。

（4）利用实验数据，画出阻感性负载下（负载R d=500Ω；电感L d为200mH）α=30°、60°、90°、120°、150°时的整流电压U d、负载电流I d和晶闸管两端电压U VT1的波形。

（5）利用实验数据，画出反电动势阻感性负载下（负载R d=500Ω；电感L d 为

200mH，电动势E为励磁电源，注意方向）α=30°、60°、90°、120°、150°时的整流电压U d

、负载电流I d和晶闸管两端电压U VT1的波形。

（6）简单分析整流和逆变过程中模拟的故障现象。

（7）回答以下思考题：

①如何解决主电路和触发电路的同步问题?在本实验中，主电路三相电源的相序可任意设定吗?

②在本实验的整流及逆变时，对α角有什么要求？为什么?

2）参照电力电子技术实验指导书中实验三负载参数（负载R=500Ω；电感L d选用200mH），建立MATLAB/Simulink环境下三相半波整流电路和三相半波有源逆变电路的仿真模型，仿真参数设置需要注意：

（1）交流电压源的参数设置应与前面实验中的相关参数一致；

（2）晶闸管的参数设置如下：

R n=0.001Ω，L on =0.0005H，V f =0，R s=10Ω，C s=4.7e-6F

注：控制角α的设置是难点和重点。

（3）负载的参数设置

RLC串联负载环节中的R对应R d，L对应L d，其参数根据负载类型不同需做不同调整。

（4）完成以下任务：

①仿真绘出电阻性负载（RLC串联负载环节中的R d=500Ω；电感L d为0，C = inf，反电动势E=0）下α=30°、60°、90°、120°、150°时的整流电压U d、负载电流

I d和晶闸管两端电压U VT1的波形。

②仿真绘出阻感性负载下（负载R d=500Ω；电感L d为200mH，反电动势E=0）α=30°、60°、90°、120°、150°时的整流电压U d、负载电流I d和晶闸管两端电压U VT1的波形。

③仿真绘出阻感性反电动势负载下α=90°、120°、150°时的整流电压U d

、负载电流I d和晶闸管两端电压U VT1的波形，注意反电动势E的极性。

（5）结合仿真结果，回答以下问题：

①该三相半波可控逆变电路在β=60°、90°时输出电压有何差异？

②在MATLAB/Simulink环境下仿真如何设置控制角？

2．单相交流—交流变换电路

1）单相交流调压电路

（1）带电阻性负载的单相交流调压电路仿真

首先绘制单相交流调压电路原理图，并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。

参数设置：

①交流电压源的参数设置

交流电压峰值：100~400V之间；初始相位：0；电源频率：50Hz

②晶闸管的参数设置

R n=0.001Ω，L on =0H，V f =0.8，R s=500Ω，C s=3.0e-7F

③负载的参数设置（RLC串联环节）

R=100~500Ω，L=0H，C=inf

④脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置

取α=0°和30°（或45°、60°）分别设置Pulse模块参数（自己考虑）。

⑤仿真时间和误差参数设置

设相误差为1.0e-3~1.0e-4之间；

开始仿真时间：0；

结束仿真时间：0.1~0.2之间（即5~10个电源周期）；

⑥完成以下任务：

仿真绘制出不同α值时的负载电压、负载电流、流过某只晶闸管电流、晶闸管端电压以及某只晶闸管上的触发信号的波形。

（2）带阻感性负载的单相交流调压电路仿真

首先绘制单相交流调压电路原理图，并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。

参数设置：

①交流电压源的参数设置

交流电压峰值：100~400V之间；初始相位：0；电源频率：50Hz

②晶闸管的参数设置

R n=0.001Ω，L on =0H，V f =0.8，R s=500Ω，C s=3.0e-7F

③负载的参数设置（RLC串联环节）

R=100~500Ω，L=0.1~0.2H，C=inf

④脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置

取α=0°和30°及α=φ（或α=45°、60°）分别设置Pulse模块参数（自己考虑）。

⑤仿真时间和误差参数设置

设相误差为1.0e-3~1.0e-4之间；

开始仿真时间：0；

结束仿真时间：0.1~0.2s之间（即5~10个电源周期）；

⑥完成以下任务：

仿真绘制出不同α值时的负载电压、负载电流、流过某只晶闸管电流、晶闸管端电压以及某只晶闸管上的触发信号的波形。

2）单相交流调功电路

（1）带电阻性负载的单相交流调功电路仿真

首先绘制单相交流调功电路原理图，并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。

参数设置：

①交流电压源的参数设置

交流电压峰值：100~400V之间；初始相位：0；电源频率：100Hz

②晶闸管的参数设置

R n=0.001Ω，L on =0H，V f =0.8，R s=500Ω，C s=3.0e-7F

③负载的参数设置（RLC串联环节）

R=100~500Ω，L=0H，C=inf

④脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置

取调功电路占空比分别为0.25和0.5，自行设置Pulse模块参数。

⑤仿真时间和误差参数设置

设相误差为1.0e-3~1.0e-4之间；

开始仿真时间：0；

结束仿真时间：0.1~0.2之间（即10~20个电源周期）；

⑥完成以下任务：

仿真绘制出不同占空比时的负载电压、流过某只晶闸管电流、晶闸管端电压以及某只晶闸管上的触发信号的波形。

（2）分析并回答

①交流调压与交流调功的电路结构是否相同，控制方式有何不同？

②两者对脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置有何不同？

3）单相斩控式交流调压电路

首先绘制电阻性负载单相交流调压电路原理图，并在MATLAB/Simulink环境下建立其仿真模型。

参数设置：

①交流电压源的参数设置

交流电压峰值：100~400V之间；初始相位：0；电源频率：50Hz

②负载的参数设置（RLC串联环节）

R=100~300Ω，L=0H，C=inf

③脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置

取触发信号的脉冲宽度为20%和50%，分别设置Pulse模块参数（自己考虑）。

④仿真时间和误差参数设置

设相误差为1.0e-3~1.0e-4之间；

开始仿真时间：0；

结束仿真时间：0.1~0.2之间（即5~10个电源周期）；

⑤完成以下任务：

仿真出触发信号的脉冲宽度为20%和50%时的电源电压、负载电压、负载电流、流过某只IGBT的电流、IGBT端电压以及IGBT上的触发信号的波形。

（2）分析并回答

①比较斩控式交流调压电路与相控交流调压电路的功率因数有何不同？

②两者对脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置有何不同？

1.2 仿真分析及思考题

1.2.1 三相半波整流与有源逆变电路

(1) 三相半波整流电路原理

图1 三相半波可控整流电路原理图

稳定工作时，三个晶闸管的触发脉冲互差120o，规定ωt=π/6为控制角α的起点，称为自然换相点。三相半波共阴极可控整流电路自然换相点是三相电源相电压正半周波形的交叉点，在各相相电压的π/6处，即ωt1、ωt2、ωt3 ，自然换相点之间互差2π/3，三相脉冲也互差120o。

在ωt1时刻触发VT1，在ωt1～ωt2区间有uu＞uv、uu＞uw，u相电压最高，VT1承受正向电压而导通，输出电压ud＝uu。其他晶闸管承受反向电压而不能导通。VT1通过的电流iT1与变压器二次侧u相电流波形相同，大小相等。

在ωt2时刻触发VT2，在ωt2～ωt3区间v相电压最高，由于uu＜uv，VT2承受正向电压而导通，ud＝uv。VT1两端电压uT1=uu-uv= uuv<0，晶闸管VT1承受反向电压关断。

在VT2导通期间，VT1两端电压uT1= uu-uv= uuv。在ωt2时刻发生的一相晶闸管导通变换为另一相晶闸管导通的过程称为换相。

在ωt3时刻触发VT3，在ωt3～ωt4区间w相电压最高，由于uv＜uw，VT3承受正向电压而导通，ud＝uw。VT2两端电压uT2= uv-uw=uvw<0，晶闸管VT2承受反向电压关断。在VT3导通期间VT1两端电压uT1= uu-uw= uuw。

这样在一周期内，VT1只导通2π/3，在其余4π/3时间承受反向电压而处于关断状

态。只有承受高电压的晶闸管元件才能被触发导通，输出电压ud波形是相电压的一部分，每周期脉动三次，是三相电源相电压正半波完整包络线，输出电流id与输出电压ud波形相同(id=ud/R)。

电阻性负载α=0o 时，VT1在VT2、VT3导通时仅承受反压，随着α的增加，晶闸管承受正向电压增加；其他两个晶闸管承受的电压波形相同，仅相位依次相差120o。增大α，则整流电压相应减小。

图2 三相半波可控整流电路电阻负载α=00时的波形

（2）思考题

①该三相半波可控逆变电路β=60°、90°在时输出电压有何差异？

答：由于?=+180βα，所以?=90α与?=120α输出电压的波形对比，可以看到?=90α的输出电压波形的峰值比?=120α输出电压波形的峰值大。

②在MATLAB/Simulink 环境下仿真如何设置控制角？

答：设置控制角主要是对于脉冲发生器的参数的修改，可以通过对“Phase delay ”的修改所需要的控制角;比如对于对于三相半波整流电路，其的控制角设置为()303601f α+

,将控制角转换为延迟时间。

(3)仿真结果

运行结果见附录一。

1.2.2 单相交流—交流变换电路

(1) 单相交流调功电路原理

单相交流调压电路带组感性负载时的电路以及工作波形如图3所示。之所产生的滞后由于阻感性负载时电流滞后电压一定角度，再加上移相控制所产生的滞后，使得交流调压电路在阻感性负载时的情况比较复杂，其输出电压，电流与触发角α，负载阻抗角φ都有关系。当两只反并联的晶闸管中的任何一个导通后，其通态压降就成为另一只的反向电压，因此只有当导通的晶闸管关断以后，另一只晶闸管才有可能承受正向电压被触发导通。由于感性负载本身滞后于电压一定角度，再加上相位控制产生的滞后，使得交流调压电路在感性负载下大的工作情况更为复杂，其输出电压、电流波形与控制角α、负载阻抗角φ都有关系。其中

负载阻抗角

)

arctan(R

wL

=

,相当于在电阻电感负载上加上纯正弦交流电压时，

其电流滞后于电压的角度为φ。

图3单相交流调功电路电阻性负载原理图

(2)思考题

①交流调压与交流调功的电路结构是否相同,控制方式有何不同？

答: 交流调压电路与交流调功电路的电路结构完全相同,但控制方式不同,交流调压电路的控制方式是在每个半波内通过对晶闸管开通相位的控制来调节输出电压的有效值;而交流调功电路是以交流电的周期为单位控制晶闸管的通断,改变通态周期和断态周期的比,从而方便的调节输出功率的平均值。

②两者对脉冲发生器模块（Pulse）的参数设置有何不同？

答:单相交流调压电路是主要对相位延迟角的设置,即对phase delay模块进行修改;而单相交流调功电路是对脉宽的控制,即对pulse width模块进行修改。

(3) 仿真结果

仿真结果见附录一。

1.2.3单相斩控式交流调压电路

(1) 斩控式交流调压电路原理

图4 斩控式交流调压电路的原理图

斩控式交流调压电路的原理图如图4所示，一般采用全控型器件作为开关器件。其基本原理和直流斩波电路有类似之处，只是直流斩波电路的输入是直流电压，而斩控式交流调压电路的输入是正弦交流电压。在交流电源u 1的正半周，用V1进行斩波控制，用V3给负载电流提供续流通道；在u 1的负半周，用V2进行斩波控制，用V4 给负载电流提供续流通道。

(2) 思考题

①比较斩控式交流调压电路与相控交流调压电路的功率因数有何不同？ 答:单相交流调压电路的功率因数 01sin 212U U παλαππ-==+ ，不同为α的意义不同；单相交流调压电路中代表触发延迟角，而在斩控式交流调压电路中代表导通比。

②两者对脉冲发生器模块（Pulse ）的参数设置有何不同？

答:斩控式交流调压电路中是对脉冲发生器频率的调节，而相控交流调压电路则是对相位延迟的设置。

(3)仿真结果

仿真结果见附录一。

2 电力系统MATLAB(或ETAP)仿真

2.1题目

选取如下图所示的单机无穷大系统，分析在f 点发生两相接地短路，通过线路两侧开关同时断开切除故障线路后，系统的暂态稳定性。

图5 单机无穷大系统

发电机的参数如下：A MV 5.352?=GN S ，MW 300=GN P ，，kV 5.10=GN U 1=d x ，，，，，，，，，1.0053.001.118.0243.06.0252.025.0''''''''''========q d d l q q d d T T T x x x x x 。；负序电抗：；，2.0s 8s 4)s (0028.02====x T H R JN s

变压器T-1的参数如下：；，，242/5.10%14%A MV 360111==?=T ST TN k U S

变压器T-2的参数如下：。，，121/220%14%A MV 360222==?=T ST TN k U S

线路的参数如下：，，，，/km 07.0/km 41.0kV 220km 250L Ω=Ω===L N r x U l 线路的零序阻抗为正序阻抗的5倍。 G

L1L2T-1T-2U 0U G

I f P 0cos φ0

运行条件如下：。

，，95.0cos MW 250kV 115000=?==P U (1) 结合以上参数，完成：

①画出该单机无穷大系统的正序和负序以及短路时的等效电路图；

②进行网络参数及运行参数的计算；

③进行系统转移电抗和功率特性计算；

(2) 结合图1，搭建研究其暂态稳定性的MATLAB/Simulink (或ETAP)仿真模型，结合以上所给参数，给出发电机模块、无穷大系统模块、输电线路参数设置的窗口图；

①仿真开始时间设置为0s ，仿真结束时间取为5s ，故障发生在仿真开始后的0.15s ，故障发生后0.08s （即时间为0.23 s 时）利用断路器切除线路，根据短路发生时间和短路类型合理设置故障模块中的断路器参数；

②利用Powergui 模块对发电机进行初始化设置以及仿真起始时间和终止时间：

③仿真后分别绘制出故障发生后0.08 s 和0.5 s 切除故障线路，发电机转速变化的曲线图。

④自行改变故障模块中的短路类型或系统元件参数，还可以研究发生各种短路时的暂态稳定性或研究各种参数对系统的暂态稳定性的影响。

(3) 分析发电机转速变化的曲线图，并回答：

①故障发生后0.08 s 和0.5 s 切除故障线路，发电机转速变化反映出什么信息？

②Powergui 模块中，潮流计算部分应如何进行初始化设置？

2.2 系统的参数计算及仿真电路图

2.2.1网络参数及运行参数计算

在此系统中，选取电压基准值为U B =115KV 功率基准值为S B =250MV A ，为了防止计算中变压器的非标准变比的影响，可将此系统通过两个变压器分为三段，则115KV 可作为第三段的基准电压,则第二段基准电压为

220115209.122121U U K K V K V B T =?=?=,第一段的基准电压

10.5209.19.07121242U U K KV KV T =?=?=.

2.2.2各元件归算后的标幺值

2225010.51.00.9522352.59.071

2225010.50.60.5722352.59.071

2225010.5''0.250.23822352.59.0712500.072500.1

22209.12

%11100U S GN B

X x d d S U GN U S GN B X x q q S U GN U S GN B X x d d S U GN S B R r l L l U

U

S

XT

B

X

T

S

=??=??==??=??==??=??==??=??==?2225024210.140.1322360209.112

22%25022202

20.140.108222100360209.1222500.412500.586122209.12U T U T U S U XT B T X T S U T S

B X x l L l U ?=??==??=??==??=??=

()()000000022'

'22

0000000115U 1115

2501250

tan 0.32910.3290.76910.769 1.4710.769arctan 31.5410.3290.769B d d U U P P S Q P Q X P X E U U U ?σ∑∑=========++=+?+?= ? ==? ?+???2.2.3运算参数的计算结果 2.2.4系统转移电抗和功率特性计算

5 2.9301

2225010.50.20.192222352.59.071

352.5811.282500.50.130.50.5860.1080.531112

0.950.531 1.4810.570.531 1.101''X X L L U S GN B X x S U GN S GN T T s J JN S

B

X X X X TL T L T X X X d d TL

X X X q q TL

X X X d d

===??=??==?=?==++=+?+==+=+=∑=+=+=∑=+∑0.2380.5310.769TL

=+=

2.2.5 仿真电路

图6 同步发电机突然三相短路暂态过程的仿真模型

()()()()()()21222121201202020.50.190.130.50.5860.1080.1780.50.190.130.50.5860.1080.50.130.50.5860.1080.120.50.130.50.5860.1080.072T L T T L T T L T T L T X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X ∑∑∑∑?∑+∑

+++?+=

==+++++?++??+=

==+++?+==()12'

1200'1200112 2.822sin 0.52sin 1.062

sin 1.384sin d T L T II d T L T II II

III d T T L III X X X X X X

X X X X E U P X X X X X X E U P X

δδδδ++ =+++=====+++===

2.3参数设置窗口图

图7 发电机模块参数设置图

图8 输电线路1与输电线路2的参数设置图

图9 无穷大系统模块参数设置图

2.4仿真波形图以及等值电路图

请见附录一。

2.5思考题

①故障发生后0.08 s和0.5 s切除故障线路，发电机转速变化反映出什么信息？

答：故障发生0.08s后切除故障，发电机的转速波形可以看出发电机的转速随时间的增加而逐渐减小，趋于一个稳定值，因此系统是稳定的；当故障发生0.5s 后切除故障，

发电机的转速随时间的增大而增大，系统是不稳定的。

②Powergui模块中，潮流计算部分应如何进行初始化设置？

答：打开powergui模块，打开电机初始化，即Machine Intialization模块，将发电机的节点类型设置为PV节点，机端电压设置为10500V，输出功率为A

300

MV,其余参数均为默认值，然后更新即可。

3 总结

通过这几周的课程设计，让我加深了对本学期电力电子技术与电力系统这两门课部分知识的理解，由于这次的课程设计与课程进度比较吻合，所以对我的帮

助非常大；在这几周了，我在高峰阳老师的指导下完成了三相半波电路、单相交

—交变换电路以及单相斩控式交流调压电路的关于电力电子技术的课程设计，电力系统分析完成了简单电力系统的暂态稳定性分析与仿真的题目。

在这次课程设计中，我学习到了Matlab中的很多知识以及对于simulink有了更深层次的了解；通过连接原理图以及设置相关参数和用示波器观察仿真波形，我加深了对相关电路的认识与了解。在这次课程设计中，我要感谢老师和同学，他们给我很大的帮助。总之，这次课程设计收获颇丰。

4 参考文献

1．李传琦等. 电力电子技术计算机仿真实验[M]. 北京：电子工业出版社，2007.

2．于群，曹娜等. MATLAB/Simulink 电力系统建模与仿真[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

3．林飞，杜欣等.电力电子应用技术的MATLAB仿真[M] .北京：中国电力出版社，2009.

4．黄忠霖，黄京.电力电子技术的MATLAB实践[M].北京：国防工业出版社，2009.

5．王晶，翁国庆，张有兵等.电力系统的MATLAB/SIMULINK仿真与应用[M] .西安：西安电子科技大学出版社，2008.

6．洪乃刚.电力电子、电机控制系统的建模和仿真[M] .北京：机械工业出版社，2010.

7．欧特艾远东（南京）计算机技术有限公司.ETAP电力及电气系统综合分析计算软件应用培训例题使用手册，2013.

附录一

图1 三相半波可控整流电路电阻负载α=600时的波形

图2 三相半波可控整流电路阻感负载α=600时的波形

图3 三相半波可控整流电路阻感反电动势负载α=600时的波形

图4 三相半波有源逆变α=1400时的波形

图5

60α=?时带电阻负载的单相交流调压电路波形

图6 60α=?时阻感性负载的单相交流调压电路波形

图7 占空比为0.25时阻感性负载的单相交流调功电路波形

图8 占空比为0.5时阻感性负载的单相交流调功电路波形