2.1 Simulink仿真模塊的操作及使用

在Simulink中，一個仿真模型單元叫做一個模塊，它是構成模型的基本元素，用戶用它們來構造較大規模的系統模型。下面以使用Simulink庫中模塊進行仿真為例介紹仿真模塊的常規操作方法。

在構建仿真模型之前，用戶需要按圖22所示新建并打開一個仿真工作空間。

圖22 新建仿真工作空間

在Simulink中，SimPowerSystems庫的位置如圖2 3所示。

圖23 SimPowerSystems庫

該庫包含了電力電子器件庫（PowerElectronics）、電源庫（EletricalSources）、電氣元器件庫（Elements）、電機庫（Machines）等多個子庫。

SimPowerSystems庫的模塊與Simulink庫的模塊有些區別，Simulink庫的模塊都是

一些運算模塊，有輸入信號，也有輸出信號，但SimPowerSystems庫的模塊大部分都為電力或電子器件，通常只有電的接線端子，在模塊圖上表示為小正方形。為了仿真運算的方便，有些模塊也可以輸出一些測量信號，這些信號端子則如同Simulink模塊，是一個向外的“＞”符號。

另外，SimPowerSystems庫是一個后擴展的專業庫，Simulink只是為這個專業庫中的

模型提供了運算平臺，并不具備對這個專業庫中模塊所形成的數學模型進行管理的能力，

因此在SimPowerSystems庫中還有一個叫做“Powergui”管理模塊。因此，凡是使用SimPowerSystems庫模塊搭建的仿真模型都需要一個“Powergui”。由于這個模塊不與其

他模塊連接，所以用戶在使用SimPowerSystems模型庫中的模塊搭建仿真模型時，最好先把它加入仿真工作空間。

2.1.1 電源庫（ElectricalSources）

電路中最重要的部件便是電源，為此，SimPowerSystems庫使用了一個單獨的電源庫（ElectricalSources）來提供電源仿真模型，庫中包含了電力系統常用的直流電源和交流電

源。電源庫在SimPowerSystems庫的位置如圖2 4所示。

圖2 4 電源庫（ElectricalSources）

直流電壓源的功能就是為電路提供一個理想的直流電壓，在庫中的位置及其圖標如圖

2 5所示。

圖2 5 直流電壓源（DCVoltageSources）

直流電壓源的參數設置窗口如圖26所示。

圖26 直流電壓源圖標及參數設置對話框

從直流電壓源的參數設置對話框中可見，它只有一個需要設置的參數，即電壓源的電

壓值。除此之外就是需要用戶在下拉列表Measurements的菜單中選擇“None”或“Volt-

age”，選中前者意味著本電源不需要測量，選中后者則意味著該電源可以在仿真時使用Multimeter等外部具有測量功能的模塊來測量其電壓值。

交流電壓源也是一種理想電源，它在庫中的位置如圖27所示。

圖2 7 交流電壓源（ACVoltageSource）

交流電壓源的圖標與參數設置窗口如圖28所示。

圖28 交流電壓源的圖標與參數設置對話框

交流電壓源的可設置參數見表22。

表2 2

交流電壓源（ACVoltageSource）的可設置參數

SimPowerSystems在電源庫中還提供了一個三相可編程電壓源（Three PhasePro-

grammableVoltageSource），它可以通參數設置其基波分量以及諧波分量的幅值、頻率和

相位，從而得到含有諧波分量的交流電壓源。Three PhaseProgrammableVoltageSource

在庫中的位置如圖29所示。

圖29 ThreePhaseProgrammableVoltageSource在庫中的位置

Three PhaseProgrammableVoltageSource的圖標及參數設置對話框如圖2 10所示。

圖210 ThreePhaseProgrammableVoltageSource的圖標及參數設置對話框

Three PhaseProgrammableVoltageSource的參數見表2 3。

表2 3

Three PhaseProgrammableVoltageSource的參數表

參數

說明

2.1.2 測量儀器庫

測量儀器是電路實驗需要的重要設備，SimPowerSystems中提供了測量儀器庫 Meas-

urements，該庫在系統中的位置如圖211所示。

圖2 11 測量儀器庫 Measurements的位置

電流表（CurrentMeasurement）與電壓表（Voltage Measurement）是常用電工測量

儀表，這兩種儀表在庫中的位置如圖212所示。

圖2 12 庫中的電流表（CurrentMeasurement）與電壓表（VoltageMeasurement）

從使用方法上來看，這兩種測量儀表與實際電流表和電壓表沒有什么區別，電流表需串聯在被測電路支路，電壓表需要并聯在被測元器件或支路兩端，但需要注意，Simlink提供的電流表與電壓表實質上只相當是一個表頭，均沒有顯示裝置，所以使用時需要由使

用者在Simlink的Sink庫中選擇合適的顯示器，例如Scope。

萬用表Multimeter在庫中位置及其在仿真環境中的圖標如圖213所示。

圖213 Multimeter在庫中的位置及圖標

萬用表可以測量多個參數，在分析電路時，靈活使用 Multimeter模塊，可以簡化電路分析。但萬用表的使用需要電路中各個元器件模塊的配合，即在對元器件進行參數設置時，需要在其參數設置對話框中的選項中指定該元器件需要測量的參數，如圖214所示。

圖214 各元器件參數設置對話框中的Measurements選項

2.1.3 電力電子器件庫

電力電子庫中包含了常用的電力電子器件及模塊，器件有電力二極管Diode、電力場效應晶體管MOSFET、絕緣柵雙極型晶體管IGBT、門極可關斷晶閘管GTO等等，模塊有不控整流橋、兩電平通用橋、三電平通用橋等等。

1.絕緣柵雙極型晶體管IGBT

在SimPowerSystems中，只關心IGBT的部分參數，例如IGBT的內阻、導通壓降及

RC緩沖電路等，而不考慮其電壓電流等級。考慮到實際應用中IGBT常常需要與一個二極管反并聯，庫中還提供了一個IGBT/Diode模塊供用戶選用。

IGBT的仿真模型結構如圖215所示。

圖215IGBT的仿真模型

IGBT的伏安特性及開關特性如圖216所示。

圖216IGBT的伏安特性及開關特性

SimPowerSystems中IGBT的符號及參數設置對話框如圖2 17所示。

圖217 SimPowerSystems中IGBT的符號及參數設置對話框

參數設置對話框中各選項的說明見表24。

表2 4

IGBT參數設置對話框各選項說明

2.電力二極管Diode

SimPowerSystems中電力二極管Diode的內部結構及伏安特性如圖2 18所示。

圖218 電力二極管Diode的內部結構及伏安特性

電力二極管的圖標及參數設置對話框如圖219所示。

圖219 電力二極管的圖標及參數設置對話框

在SimPowerSystems中沒有普通二極管與肖特基二極管或電力二極管的區別，要得到不同的二極管模型只需設置不同的參數即可。

需要注意的是，由于Simulink是一種系統級仿真軟件，因此它一般不用于開關器件的開關特性仿真。

2.1.4 電氣元器件庫

電氣元器件（Elements）庫包含了斷路器、電阻、電容、電感、變壓器、傳輸線等常用電氣元器件的仿真模型。電氣元器件（Elements）庫的位置如圖220所示。

圖2 20 電氣元器件（Elements）庫

1.斷路器（Breaker）

斷路器在電路中作為開關開通或關斷電流使用。

在斷路器的仿真模型中包含有一個串聯的RC緩沖電路，如果斷路器串聯在感性電路中或斷路器與電流源串聯，必須在斷路器中加入緩沖電路。

斷路器的圖標及參數設置對話框如圖221所示。

圖221 斷路器Breaker的圖標及參數設置對話框

斷路器參數說明見表25。

表2 5

斷路器參數說明

在直流電路中應使用理想開關，而不推薦使用斷路器。

另外，在模型中使用斷路器，仿真時應選擇剛性（stiff）算法，使用ode23t可得到較快的仿真速度。

2.串聯RLC支路

為了方便用戶，系統把一個串聯RLC支路制作成了一個仿真模塊SeriesRLCBranch，

如圖222所示。

圖2 22 串聯RLC支路模塊SeriesRLC Branch

可以看到，與串聯RLC支路相類似的還有串聯RLC負載（SeriesRLC Load）、并聯RLC支路（ParallelRLCBranch）、并聯RLC負載（ParallelRLCLoad）及三相的各種類似支路和

負載。

這里僅以串聯RLC支路為例介紹這類模塊的參數設置和應用。

串聯RLC支路的圖標與參數設置對話框如圖223所示。其參數說明見表26。

圖223 串聯RLC支路的圖標與參數設置對話框

表2 6

串聯RLC支路的參數設置

2.1.5 控制模塊庫

在SimPowerSystems的ExtraLibrary中包含有兩個控制模塊庫，ControlBlocks和DiscreteControlBlocks，前者提供了連續控制模塊，后者提供了離散控制模塊。

兩個控制模塊庫如圖224所示。

圖2 24 在ExtraLibrary庫中的兩個控制模塊庫

1.PWM信號發生器

PWM信號發生器是電力電子技術的重要裝置，SimPowerSystems\ExtraLibrary\ControlBlocks提供的PWM Generator是一個多功能模塊，主要用來為GTO、MOSFET、

IGBT等自關斷器件提供門極驅動信號。PWM Generator在庫中的位置如圖2 25所示。

圖2 25 PWM Generator的位置

PWM Generator的圖標及參數設置對話框如圖2 26所示。

圖2 26 PWM Generator的圖標及參數設置對話框

PWM Generator的參數及其設置見表2 7。

表2 7

PWM Generator的參數及設置

2.可編程定時器Timer

為方便實現隨時間變化的信號，系統為用戶提供了一個可編程定時器（Timer）。可編程定時器在庫中的位置如圖227所示。

圖227 Timer在庫中的位置

Timer的圖標及參數設置對話框如圖228所示。

圖228 可編程定時器Timer的圖標及參數設置對話框

Timer的參數設置見表2 8。

表2 8

Timer的參數