手把手教你学Simulink实例--基于Simulink的电力电子系统稳态分析仿真
目录
基于Simulink的电力电子系统稳态分析仿真
一、背景介绍
二、仿真建模过程
1. 确定实验目标
2. 创建Simulink模型
步骤1：打开Simulink并新建模型
步骤2：添加电源模块
步骤3：设计电力电子电路
步骤4：添加传感器模块
步骤5：添加控制器模块（可选）
PID 控制器示例：
步骤6：设置反馈回路
三、稳态分析仿真
1. 设置仿真参数
2. 设计稳态分析实验场景
示例：不同负载条件下的稳态分析实验
示例：不同输入电压条件下的稳态分析实验
3. 运行仿真
四、分析仿真结果
1. 输出电压和电流的稳态值
2. 效率计算
3. 纹波分析
4. 负载变化响应
五、总结
基于Simulink的电力电子系统稳态分析仿真
在电力电子系统的整体设计与性能评估过程中，默认情况下关注其稳态特性（Steady-State Analysis）。该过程特别注重系统的稳定性以及效率相关的关键参数。为了保证所述系统能够在持续运行期间维持预期的技术性能水平，默认情况下我们会对其进行长时间运行下的稳定性测试与效率评估。本文将深入探讨Simulink这一工具在实现电力电子系统稳态特性仿真中的应用方法。
一、背景介绍
电力电子系统（Power Electronics System）涵盖多种功率转换设备（如 DC-DC 转换器、逆变器等）。这些设备中的核心组件包括MOSFET、IGBT等器件，并非单纯地影响系统的性能；其核心作用还包括直接影响系统的性能指标以及整体稳定性与可靠性保障。”因此，在设计阶段对系统的精确建模与仿真具有重要意义。”
稳态分析仿真的目标是为了确保设计方案能够在各种工作条件下正常运行，并且能够满足预期的性能指标。以下是对基于Simulink实现电力电子系统稳态仿真分析的基本步骤说明：
二、仿真建模过程
1. 确定实验目标
首先需要明确实验的目标。常见的稳态分析仿真目标包括：
- 系统工作状态下的电压与电流稳态特性：通过实验确定系统的工作边界条件。
- 效率评估：测量输入与输出功率并进行效率计算。
- 系统波动特性分析：通过观察电压与电流的变化幅度来评估系统稳定性。
- 动态响应测试：调节负载电阻并监测系统在稳定状态下的表现。
2. 创建Simulink模型
接下来，我们将利用Simulink搭建一个较为简单的电力电子系统仿真模型，并配合MATLAB的脚本功能完成系统的稳态性能分析。
步骤1：打开Simulink并新建模型
- 开始运行MATLAB程序。
- 在命令窗口中输入
simulink以打开Simulink启动界面。 - 单击"Blank Model"按钮生成一个新的空模型图。
步骤2：添加电源模块
- 在 Simscape 电气库下的 Specialized Power Systems 中的 Fundamental Blocks 子库的 Sources 子模块中拖放 DC Voltage Source 模块至模型编辑区。
- 配置 DC Voltage Source 模块的参数设置包括电压幅值（例如 48 V）。
matlab
深色版本
% 添加直流电源模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Sources/DC Voltage Source', [modelName '/DC_Voltage_Source']);
set_param([modelName '/DC_Voltage_Source'], 'Voltage', '48'); % 设置电压为48V步骤3：设计电力电子电路
我们采用一个基本的 Buck转换电路（降压转换器） 作为示例来说明问题。建议可以根据实际需求选择不同类型的电力电子电路。
在 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Power Electronics 库内完成模块拖拽操作。
- Buck_converter模块。选择50kHz的开关频率和一个占空系数为50%的控制波形即可实现目标功能。
- 在Inductor模块中设定其电感值为1×1e-6亨利。
- 在Capacitor模块中设定其电容值为1×1e-4法拉。
- 在Series_RLC_BRANCH模块中指定负载电阻为十欧姆以获得所需的电流限制功能。
matlab
深色版本
% 添加Buck转换器模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Power Electronics/Buck Converter', [modelName '/Buck_Converter']);
set_param([modelName '/Buck_Converter'], 'SwitchingFrequency', '50e3'); % 设置开关频率为50kHz
set_param([modelName '/Buck_Converter'], 'DutyCycle', '0.5'); % 设置占空比为0.5
% 添加电感模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Inductor', [modelName '/Inductor']);
set_param([modelName '/Inductor'], 'L', '100e-6'); % 设置电感值为100μH
% 添加电容模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Capacitor', [modelName '/Capacitor']);
set_param([modelName '/Capacitor'], 'C', '100e-6'); % 设置电容值为100μF
% 添加负载电阻模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Elements/Series RLC Branch', [modelName '/Load_Resistor']);
set_param([modelName '/Load_Resistor'], 'BranchType', 'Res');
set_param([modelName '/Load_Resistor'], 'R', '10'); % 设置电阻值为10Ω步骤4：添加传感器模块
为了监测系统的性能，可以添加一些传感器模块来测量电压和电流。
在指定库 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Fundamental Blocks > Measurements 中进行模块拖放操作。
Voltage Measurement模块用于执行输入端和输出端的电压测量。Current Measurement模块用于执行流经电感的电流测量。
matlab
深色版本
% 添加电压测量模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Voltage Measurement', [modelName '/Input_Voltage_Measurement']);
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Voltage Measurement', [modelName '/Output_Voltage_Measurement']);
% 添加电流测量模块
add_block('simscape/Electrical/Specialized Power Systems/Fundamental Blocks/Measurements/Current Measurement', [modelName '/Inductor_Current_Measurement']);步骤5：添加控制器模块（可选）
闭环控制系统可通过加入多种控制器模块来实现综合控制效果。其中可以选择 PID 控制器、滑模控制器或其他模型预测控制器。
PID 控制器示例：
在 Simulink 连接到 Continuous 库中导入 PID Controller 模块至模型编辑区，并随后与 Buck 转换器的控制输入端口相连接。
matlab
深色版本
% 添加PID控制器
add_block('simulink/Continuous/PID Controller', [modelName '/PID_Controller']);
set_param([modelName '/PID_Controller'], 'P', '1'); % 设置比例系数Kp为1
set_param([modelName '/PID_Controller'], 'I', '0.1'); % 设置积分系数Ki为0.1
set_param([modelName '/PID_Controller'], 'D', '0.01'); % 设置微分系数Kd为0.01步骤6：设置反馈回路
通过连接传感器模块的输出至控制器模块的输入端口来实现信息传递，在此基础上再通过将控制器模块与 Buck 转换器之间的控制信号进行传输实现系统控制从而完成闭环控制系统的核心功能
matlab
深色版本
% 连接各模块
add_line(modelName, [modelName '/DC_Voltage_Source'], [modelName '/Buck_Converter'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Buck_Converter'], [modelName '/Inductor'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Inductor'], [modelName '/Capacitor'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Capacitor'], [modelName '/Load_Resistor'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/DC_Voltage_Source'], [modelName '/Input_Voltage_Measurement'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Buck_Converter'], [modelName '/Output_Voltage_Measurement'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Inductor'], [modelName '/Inductor_Current_Measurement'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/Output_Voltage_Measurement'], [modelName '/PID_Controller'], 'autorouting', 'on');
add_line(modelName, [modelName '/PID_Controller'], [modelName '/Buck_Converter'], 'autorouting', 'on');三、稳态分析仿真
1. 设置仿真参数
- 进入模型编辑器顶部菜单栏，在Simulation > Model Configuration Parameters处进行操作。
- 根据需求进行设置，例如仿真时间可设为1秒或更多，并建议采用ode45求解器类型。
matlab
深色版本
% 设置仿真参数
set_param(modelName, 'StopTime', '1'); % 模拟运行时间为1秒
set_param(modelName, 'Solver', 'ode45');2. 设计稳态分析实验场景
为了实现系统的稳态运行分析仿真需求，在工程实践中通常涉及以下几种类型：
- 在不同负载状态下进行稳态分析：调节负载电阻值以研究系统的变化过程及其稳定状态表现。
- 在不同输入电压条件下进行稳态分析：调节输入电压水平以考察系统在变化过程中的稳定状态表现.
示例：不同负载条件下的稳态分析实验
为了旨在验证系统在多种负载条件下达到稳定运行状态，在仿真过程中实时调节负载电阻值
matlab
深色版本
% 添加负载变化信号源
add_block('simulink/Sources/Step', [modelName '/Load_Change_Step']);
set_param([modelName '/Load_Change_Step'], 'StepTime', '0.5'); % 在0.5秒时改变负载
set_param([modelName '/Load_Change_Step'], 'InitialValue', '10'); % 初始负载电阻为10Ω
set_param([modelName '/Load_Change_Step'], 'FinalValue', '20'); % 最终负载电阻为20Ω
% 将负载变化信号源连接到负载电阻模块
add_line(modelName, [modelName '/Load_Change_Step'], [modelName '/Load_Resistor/R'], 'autorouting', 'on');示例：不同输入电压条件下的稳态分析实验
为了验证系统在输入电压变化情况下的响应特性，在仿真过程中可以通过动态调整输入电压来模拟各种变化情况
matlab
深色版本
% 添加输入电压变化信号源
add_block('simulink/Sources/Step', [modelName '/Input_Voltage_Change_Step']);
set_param([modelName '/Input_Voltage_Change_Step'], 'StepTime', '0.7'); % 在0.7秒时改变输入电压
set_param([modelName '/Input_Voltage_Change_Step'], 'InitialValue', '48'); % 初始输入电压为48V
set_param([modelName '/Input_Voltage_Change_Step'], 'FinalValue', '24'); % 最终输入电压为24V
% 将输入电压变化信号源连接到电源模块
add_line(modelName, [modelName '/Input_Voltage_Change_Step'], [modelName '/DC_Voltage_Source/Voltage'], 'autorouting', 'on');3. 运行仿真
完成后，在线执行"Run"按钮以启动仿真过程
分析系统性能变化曲线以确认其符合预期，并据此优化设计与运行策略
四、分析仿真结果
利用仿真手段，能够获得系统的多种性能参数，例如输出电压波形、电流特性以及效率参数等。下面介绍几种常用的分析方法。
1. 输出电压和电流的稳态值
通过 Scope 模块观察输出电压和电流波形，确定其稳态值。
matlab
深色版本
% 获取输出电压数据
outputVoltage = getOutputVoltage();
% 计算稳态输出电压
steadyStateOutputVoltage = mean(outputVoltage(end-100:end)); % 取最后100个数据点的平均值作为稳态值
disp(['Steady-State Output Voltage: ', num2str(steadyStateOutputVoltage), ' V']);2. 效率计算
可以通过测量输入功率和输出功率来计算系统的效率：
The efficiency ratio is equal to the output power divided by the input power, which is also equivalent to the input power multiplied by the efficiency ratio.
matlab
深色版本
% 计算输入功率和输出功率
inputVoltage = getInputVoltage();
inputCurrent = getInputCurrent();
outputVoltage = getOutputVoltage();
outputCurrent = getOutputCurrent();
inputPower = mean(inputVoltage .* inputCurrent); % 输入功率
outputPower = mean(outputVoltage .* outputCurrent); % 输出功率
efficiency = (outputPower / inputPower) * 100; % 计算效率百分比
disp(['System Efficiency: ', num2str(efficiency), '%']);3. 纹波分析
通过频谱分析或 FFT（快速傅里叶变换）分析输出电压和电流的纹波水平。
matlab
深色版本
% 获取输出电压数据
outputVoltage = getOutputVoltage();
% 进行FFT分析
fftOutputVoltage = fft(outputVoltage);
frequencies = linspace(0, 1/(2*Ts), length(outputVoltage)/2+1); % Ts为采样时间间隔
powerSpectrum = abs(fftOutputVoltage(1:length(outputVoltage)/2+1)).^2;
% 绘制频谱图
figure;
plot(frequencies, powerSpectrum);
xlabel('Frequency (Hz)');
ylabel('Power Spectrum');
title('Output Voltage Ripple Analysis');4. 负载变化响应
通过观察负载变化前后的输出电压和电流波形，评估系统的稳态行为。
matlab
深色版本
% 获取负载变化前后输出电压数据
loadChangeIndex = find(time >= 0.5, 1); % 找到负载变化的时间点
preLoadChangeVoltage = outputVoltage(1:loadChangeIndex-1); % 负载变化前的输出电压
postLoadChangeVoltage = outputVoltage(loadChangeIndex:end); % 负载变化后的输出电压
% 计算负载变化前后的稳态值
steadyStatePreLoadChange = mean(preLoadChangeVoltage(end-100:end));
steadyStatePostLoadChange = mean(postLoadChangeVoltage(end-100:end));
disp(['Steady-State Output Voltage Before Load Change: ', num2str(steadyStatePreLoadChange), ' V']);
disp(['Steady-State Output Voltage After Load Change: ', num2str(steadyStatePostLoadChange), ' V']);五、总结
通过本教程的学习，我们可以掌握Simulink在电力电子系统稳态仿真中的应用方法。具体涵盖的内容有：运用Simulink进行稳态分析、搭建电力电子系统的仿真模型、考察系统的动态特性以及评估模拟结果的可靠性。
- 背景介绍 ：深入掌握电力电子系统的实验验证对其理论研究与工程实践具有重要意义。
- 仿真建模过程 ：构建完整且精确的电力电子系统模型。
- 稳态分析仿真 ：针对不同运行状态下的特性表现设定多组典型工况，并考察其对系统运行特性的影响。
- 分析仿真结果 ：基于输出电压稳态值、电流稳态值等关键参数进行效率计算，并结合纹波分析和负载变化响应等重要指标对系统性能进行全面评估。