电力电子技术入门

简介

在本节中，您将：

• 学习如何使用电力电子元件
• 学习如何使用变压器
• 更改电路的初始条件

Simscape™ Electrical™ Specialized Power Systems 软件专为仿真电力电子设备而设计。本节以一个基于晶闸管的简单电路作为主要示例。

考虑如下所示的电路。它代表了用于 735 kV 输电网络的静止无功补偿器 (SVC) 的一相。在 735 kV/16 kV 变压器的次级侧，并联连接了两个可变电纳支路：一个晶闸管控制电抗器 (TCR) 支路（蓝色所示）和一个晶闸管投切电容器 (TSC) 支路（红色所示）。

TCR/TSC 静止无功补偿器的一相

TCR 和 TSC 支路均由一个由两个反并联连接的晶闸管串组成的阀组控制。每个阀组两端连接有一个 RC 缓冲电路。TSC 支路进行投切操作，从而提供 SVC 容性电流的离散阶跃变化。TCR 支路则进行相位控制，以获得 SVC 净无功电流的连续变化。

TCR 支路的仿真

1. 在命令行输入 power_new 以打开一个新模型。将其另存为 power_TCRTSC。

2. 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Power Electronics 库中添加一个 Thyristor 模块到模型中。

3. 打开 Thyristor 模块参数窗口，并按如下所示设置参数：

参数	值
Ron	1e-3
Lon	0
Vf	14*0.8
Rs	500
Cs	0.15e-6

请注意，缓冲电路是 Thyristor 对话框的组成部分。

4. 将此模块重命名为 TCR 1 并复制它。

5. 将此新的晶闸管 TCR 2 与 TCR 1 反并联连接，如 TCR/TSC 静止无功补偿器的一相 图所示。

由于缓冲电路已在 TCR 1 中指定，因此必须消除 TCR 2 的缓冲电路。

6. 打开 TCR 2 对话框，将缓冲参数设置为：

参数	值
Rs	Inf
Cs	0

请注意，模块图标上的缓冲电路消失了。

7. 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Passives 库中添加一个 Linear Transformer 模块。如 TCR/TSC 静止无功补偿器的一相 图所示，设置其额定功率、频率和绕组参数（winding 1 = 初级；winding 2 = 次级）。

Units 参数允许您以 SI 单位（欧姆、亨利）或标幺值 (pu) 来指定每个绕组的电阻 R 和漏感 L 以及励磁支路 Rm/Lm。保持默认的 pu 设置，以便直接以标幺值指定 R 和 L。由于没有第三绕组，请取消选中 Three windings transformer。TrA 模块上的 Winding 3 将消失。

最后，将励磁支路参数 Rm 和 Xm 设置为 [500, 500]。这些值对应于 0.2% 的电阻性和电感性电流。有关标幺值 (pu) 系统的更多信息，请参阅 Per-Unit System of Units。

8. 添加一个电压源、接地模块和两个 Series RLC Branch 模块，并按 TCR/TSC 静止无功补偿器的一相 图所示设置参数。

9. 从 Simscape > Electrical > Specialized Power Systems > Sensors and Measurements 库中添加一个 Current Measurement 模块来测量初级电流。

10. 请注意，Thyristor 模块有一个标有字母 m 的输出。此输出返回一个包含晶闸管电流 (Iak) 和电压 (Vak) 的 Simulink® 向量化信号。这些输出连接到终结器模块。选择连接到 TCR 1 模块 m 输出的信号线以及连接到 i prim 模块 i 输出的信号。在 Simulation Data Inspector 中，选择 Log Selected Signals。

11. 将两个 Pulse Generator 模块复制到您的系统中，将它们命名为 Pulse1 和 Pulse2，并将它们连接到晶闸管模块的门极。

12. 现在您需要定义两个晶闸管的触发脉冲时序。在每个周期，必须在晶闸管换相电压过零后 α 度向每个晶闸管发送一个脉冲。按如下所示设置 Pulse1 和 Pulse2 模块参数：

参数	值
Amplitude	1
Period	1/60 s
Pulse width (% of period)	1% (3.6 度脉冲)
Phase Delay	1/60+T 对于 Pulse1 1/60+1/120+T 对于 Pulse2

13. 发送到 TCR 2 的脉冲相对于发送到 TCR 1 的脉冲延迟了 180 度。延迟 T 用于指定触发角 α。要获得 120 度的触发角，请在工作区中通过输入以下命令来指定 T：

T = 1/60/3;

14. 将停止时间设置为 0.1，然后开始仿真。结果可以在 Simulation Data Inspector 中观察到，如图所示。

TCR 仿真结果

TSC 支路的仿真

您现在可以创建 TSC 支路。

1. 复制 TCR 支路（蓝色所示），重命名模块，并按 TCR/TSC 静止无功补偿器的一相 图所示指定电阻和电感值。

2. 将一个 308e-6 法拉的电容器与 TSC 1 和 TSC 2 阀组串联连接。

3. 在电容器两端连接一个 Voltage Measurement 模块。将该模块的输出连接到终结器模块。选择该信号并将选定的信号流式传输到 Simulation Data Inspector。

4. 与由同步脉冲发生器触发的 TCR 支路不同，现在向两个晶闸管施加连续触发信号。删除两个脉冲发生器。添加一个 Step 模块，并将其输出连接到 TSC 1 和 TSC 2 的两个门极。将其阶跃时间设置为 1/60/4（在电源电压的第一个正峰值时通电）。

5. 开始仿真。

由于电容器从零开始充电，您可以在 Simulation Data Inspector 中观察到电容器电压和初级电流中叠加在 60 Hz 分量上的 200 Hz 低阻尼瞬态。在正常的 TSC 操作期间，电容器自上次阀组断开后留有初始电压。为了最大限度地减少带电电容器闭合时的瞬态过程，必须在电源电压处于最大值且极性正确时触发 TSC 支路的晶闸管。初始电容器电压对应于晶闸管开关闭合时获得的稳态电压。当阀组导通时，电容器电压为 17.67 kVrms。在闭合时刻，电容器必须充电至峰值电压。

$$U_c=17670\times \sqrt{2}=24989\text{ V}$$

6. 双击 powergui 模块，在 Tools 选项卡中，单击 Initial State。将出现所有状态变量及其默认初始值的列表。电容器 C 两端的初始电压值（变量 Uc_C）应为 -0.3141 V。该电压不完全为零，因为当两个晶闸管都关断时，缓冲电路允许小电流流通。现在选择 Uc_C 状态变量，并在右上角字段中输入 24989。然后单击 Apply 按钮使此更改生效。

7. 开始仿真。正如预期的那样，电容器电压和电流的瞬态分量消失了。在 Simulation Data Inspector 中比较了有初始电压和无初始电压时获得的电压，如图所示。

有初始电荷和无初始电荷时的瞬态电容器电压

期的那样，电容器电压和电流的瞬态分量消失了。在 Simulation Data Inspector 中比较了有初始电压和无初始电压时获得的电压，如图所示。

有初始电荷和无初始电荷时的瞬态电容器电压

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