电力电子、电机控制系统的建模和仿真（附光盘） pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

内容简介

　　《电力电子、电机控制系统的建模和仿真》以MATLAB为基础，介绍了MATLAB电气系统模型库模块及其功能，并以实例介绍了电力电子和电机控制系统的建模和仿真方法，内容包括AC/DC、DC/DC、DC/AC、AC/AC的各种变换电路，直流调速系统和交流调速系统等。为了适应现代数字化控制系统的发展，《电力电子、电机控制系统的建模和仿真》在连续系统的建模仿真外，还介绍了采样离散系统的建模和仿真方法。
　　《电力电子、电机控制系统的建模和仿真》附有仿真模型光盘，最大限度地为读者学习提供了方便。
　　《电力电子、电机控制系统的建模和仿真》可用于高等学校电类专业的选修课教材，也可供研究生和技术研究人员参考和使用。

内页插图

目录

第1章 MATLAB基础
1.1 MATLAB介绍
1.2 MATLAB的安装和启动
1.3 MATLAB环境
1.3.1 MATLAB的主菜单
1.3.2 MATLAB的工具栏
1.3.3 MATLAB的命令窗口（CommandWindow）
1.3.4 MATLAB的工作间（Workspace）
1.4 MATLAB的计算基础
1.4.1 常量和变量
1.4.2 数组、矩阵的表示和赋值.
1.4.3 MATLAB的算术运算
1.4.4 MATLAB的关系运算
1.4.5 MATLAB的逻辑运算
1.4.6 MATLAB的特殊运算符
1.4.7 MATLAB常用的函数
1.5 MATLAB程序设计基础
1.5.1 表达式、表达式语句和赋值语句
1.5.2 流程控制语句
1.6 其他MATLAB的常用命令
1.7 MATLAB的绘图功能
1.7.1 直角坐标中的二维曲线
1.7.2 多条曲线的绘制
1.7.3 曲线的线型和颜色
1.7.4 MATLAB的图形窗口
1.8 电力电子电路波形图的绘制

第2章 SIMULINK环境和模型库
2.1 系统仿真（SIMULINK）环境.
2.1.1 SIMULINK的工作环境
2.1.2 模型库浏览器（SIMULINKLibraryBrowser）
2.1.3 SIMULINK的仿真步骤
2.1.4 系统模型的保存和调用
2.1.5 SIMULINK的仿真算法
2.1.6 示波器（Scope）的使用和数据保存
2.1.7 建立子系统
2.2 SIMULINK模型库中的模块
2.2.1 连续系统子模块库
2.2.2 离散系统模块库
2.2.3 函数与表格模块库
2.2.4 数学运算模块库
2.2.5 非线性模块库
2.2.6 信号与系统模块库
2.2.7 仪器仪表模块库
2.2.8 信号源模块库
2.2.9 子系统模块库
2.3 电力系统模型库
2.3.1 电源模块库
2.3.2 电器元件模块库
2.3.3 电机模块库
2.3.4 电力电子元件模块库
2.3.5 测量仪器模块库
2.3.6 其他电气模块库
2.3.7 应用举例模型库

第3章 电力电子器件模型
3.1 二极管模型
3.2 晶闸管模型
3.3 可关断晶闸管模型
3.4 电力场效应晶体管模型
3.5 绝缘栅双极型晶体管模型
3.6 理想开关模型
3.7 三相桥式整流电路模块
3.7.1 三相桥式不控整流电路模块
3.7.2 三相桥式可控整流电路模块
3.8 通用桥式电路模块
3.9 三电平变流器模块
3.10 驱动模块
3.10.1 同步六脉冲发生器
3.10.2 十二脉冲发生器
3.10.3 PWM脉冲发生器

第4章 变压器和电动机模型
4.1 变压器模型
4.1.1 单相变压器模型
4.1.2 单相多绕组变压器
4.1.3 三相变压器模型
4.1.4 互感线圈
4.2 直流电机模型
4.3 交流电机模型
4.3.1 三相交流异步电动机模型
4.3.2 交流同步电机模型（基本型）
4.3.3 永磁同步电机模型
4.3.4 磁阻电机模型
4.3.5 交流电机测量单元

第5章 电力电子变流电路的仿真
5.1 交流，直流变换器
5.1.1 单相桥式全控整流电路仿真
5.1.2 三相桥式全控整流电路仿真
5.1.3 不控整流电路和电容性负载仿真
5.2 直流一直流变换器
5.2.1 直流降压变换器设计
5.2.2 直流升压变换器设计
5.2.3 Cuk升降压变换电路仿真
5.2.4 桥式直流PWM变换器仿真
5.2.5 AC／DC／AC／DC开关电源的仿真
5.3 直流.交流变换器
5.3.1 三相电压型SPWM逆变器仿真
5.3.2 电流跟踪型逆变器仿真
5.4 交流.交流变换器
5.4.1 单相交流调压器仿真
5.4.2 三相交流调压电路仿真
5.4.3 交.交变频电路的仿真

第6章 直流调速系统的仿真
6.1 直流电动机开环调速系统的仿真
6.2 转速闭环控制的直流调速系统仿真
6.2.1 带转速负反馈的有静差直流调速系统
6.2.2 带电流截止负反馈的转速单闭环调速系统仿真
6.3 转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真
6.3.1 按直流双闭环系统动态结构图的仿真
6.3.2 使用powersystem模块的直流双闭环系统仿真
6.4 直流可逆调速系统的仿真
6.4.1 a=p口配合控制的有环流可逆调速系统
6.4.2 逻辑控制无环流直流可逆调速系统仿真
6.5 直流PwM.M可逆调速系统
6.5.1 H型主电路的仿真
6.5.2 双极式控制直流PWM-M可逆调速系统仿真
6.5.3 受限单极式直流PWM-M可逆调速系统仿真

第7章 交流调速系统的仿真
7.1 交流异步电动机性能的仿真研究
7.1.1 异步电动机连接正弦电压工作
7.1.2 PWM变频器一电动机系统仿真
7.2 交流电动机减压软起动系统仿真
7.3 转速开环恒压频比控制的交流异步电动机调速系统仿真
7.4 矢量坐标变换的仿真
7.4.1 三相静止坐标系和两相静止坐标系的变换
7.4.2 两相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换
7.4.3 三相静止坐标系和两相旋转坐标系的变换
7.4.4 矢量坐标变换的仿真
7.5 交流异步电动机的磁链观察
7.5.1 转子磁链计算的电流模型
7.5.2 转子磁链的电压模型
7.5.3 转子磁链模型的仿真
7.6 交流异步电动机矢量控制调速系统的仿真
7.6.1 转差频率控制的异步电动机矢量控制系统仿真
7.6.2 带转矩内环的转速、磁链闭环矢量控制系统仿真
7.6.3 无速度传感器的矢量控制系统仿真
7.7 永磁同步电动机的仿真
7.7.1 正弦波永磁同步电动机变频调速系统仿真
7.7.2 梯形波永磁同步电动机变频调速系统仿真

第8章 离散控制调速系统仿真
8.1 两象限三相整流器直流调速系统模块
8.1.1 模块参数
8.1.2 两象限三相整流器直流调速系统模型
8.1.3 模块应用举例DC3
8.2 四象限晶闸管控制直流调速系统模块
8.2.1 离散的a：口有环流控制可逆系统
8.2.2 离散的无环流控制可逆系统
8.3 四象限斩波控制直流调速系统
8.3.1.Four-QuadrantChopperDCDrive模块
8.3.2 模型结构
8.4 三相异步电动机磁场定向矢量控制系统
8.4.1 转速控制器
8.4.2 定向控制器
8.4.3 模块应用举例AC3
8.5 三相异步电动机直接转矩控制系统
8.5.1 转矩和定子磁链计算
8.5.2 磁通和转矩滞环控制器
8.5.3 磁链选择器
8.5.4 开关表
8.5.5 开关控制模块
8.5.6 模块应用举例AC4
8.6 三相异步电动机空间矢量控制系统
8.6.1 转速控制器模块
8.6.2 矢量控制模块
8.6.3 模块应用举例AC2
参考文献

精彩书摘

　　1.1 MATLAB介绍　　MATLAB是一种科学计算软件。MATLAB是Matrix Izlboratory（矩阵实验室）的缩写，这是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语言。早期的MATLAB主要用于解决科学和工程的复杂数学计算问题。由于它使用方便、输入便捷、运算高效、适应科技人员的思维方式，并且有绘图功能，有用户自行扩展的空间，特别受到用户的欢迎，使它成为在科技界广为使用的软件，也是国内外高校教学和科学研究的常用软件。　　MATLAB由美国Mathworks公司于1984年开始推出，历经升级，到2001年已经有了6.0版，现在MATLAB 6.1、6.5、7.0版本都已相继面世。早期的MATLAB在DOS环境下运行，1990年推出了Windows版本。1993年，Mathworks公司又推出了MATLAB的微机版，充分支持在Microsoft Windows界面下的编程，它的功能越来越强大，在科技和工程界广为传播，是各种科学计算软件中使用频率较高的一种软件。　　MATLAB比较易学，它只有一种数据类型（即64位双精度二进制），一种标准的输入输出语句，它用解释方式工作，不需要编译，一般入门后经过自学就可以掌握。如果有不清楚的地方，可以通过它的帮助（1aelp）和演示（demo）功能得到启示。MATLAB学习的难点在于它有大量函数，这些MATLAB函数仅基本部分就有。700多个，其中常用的就有200～300个，掌握和记忆比较困难。　　1993年出现了SIMULINK，这是基于框图的仿真平台，SIMUu：NK挂接在MATLAB环境上，以MATLAB的强大计算功能为基础，以直观的模块框图进行仿真和计算。在SIMULINK环境中提供了各种仿真工具，尤其是它不断扩展的、内容丰富的模块库（ＳIMULINK Library Browser），为系统的仿真提供了极大便利。在SIMULINK平台上，拖拉和连接典型模块就可以绘制仿真对象的模型，并对模型进行仿真。在SIMULINK平台上，仿真模型的可读性很强，这就避免了在MATIAB窗口使用MATLAB命令和函数仿真时，需要记忆大量M函数的麻烦，对广大工程技术人员无疑是最好的福音。现在的MATLAB都同时捆绑了SIMULINK，SIMULINK的版本也在不断地升级，从1993年MATLAB 4.0／SIMULINK 1.0版到，2001年MATLAB 6.1.／SIMULINK 4.1版，2002年推出从MATLAB 6.5／SIMuI.INK 5.0版本，2005年推出了MATLAB 7.1／SIMULINK 6.3版。本书仿真是在MATLAB 7.1／SIMULINK 6.3版的基础上进行，到本书出版时，MATLAB又有了更新的版本。现在MATIAB已经不是单纯的“矩阵实验室”，它已经是一个高级的计算和仿真平台。　　……

前言/序言

　　电力电子和电力拖动控制系统的仿真越来越受到业内各方面人士的关注，它不仅是教学和学习的重要手段和工具，在研究及工程设计中也发挥了越来越重要的作用。用仿真来代替实际系统的试验，在计算机上研究和设计系统，这不仅省时、省力，降低成本和缩短研发周期，并且还可以获得更丰富、详细的数据资料。仿真就是要讲究“真”，使在计算机上建立的模型能完全反映实际的物理系统，随着众多学者卓绝的工作和现代计算机性能的提高，这一目标已经可以实现。2006年作者出版了《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》，在这几年中MATLAB发生了很大变化，模型库更新的速度很快，电力电子系统的仿真功能愈来愈强，几乎各种复杂的电力电子电路和交直流调速系统都可以通过仿真来研究，作者也做了一些新的工作，在这基础上撰写了本书，书中的模型也按新版MATLAB做了更新。
　　《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》一书的模型是在MATLAB 6.1版本基础上做的，现在显然是不够了，在MATLAB6.5版本以上，原有的模型可能打不开，或者打开后不能运行，这是因为新旧power system器件模型库有很大变化，其中主要的变化是老版本中power system模块都使用SIMuLINK的信号接口，而MATLAB 6.5版本以后的电路元器件模块改用了电路接口，这使原来在低版本上做的模型在新版本上不能直接使用，需要用“psbupdate”命令转换，并且转换后的模型还需要进行调整，即高版本对低版本不完全兼容，带来了使用上的不方便，这也是需要重写本书的原因之一，本书在MATLAB 7.1版本上完成。
　　现在电力电子和电力拖动的控制都是微机和数字化的，因此本书在连续系统的仿真外增加了采样离散系统的仿真。在MATIJAB 7.0版本之后，Simpower system增加了一个Application Libraries模型库，库中包含了常见的各种直流和交流调速系统模块，模型采用了采样和离散控制，本书选择其中一些主要的模块进行了介绍和剖析，为读者研究微机控制的数字化系统提供范例。
　　《电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真》出版后，许多读者反映按照书中介绍所构建的模型在运行时仍有困难，这往往是模块参数设置的问题，参数设置对模型很重要，考虑到这一点，作者在本书中提供了参考的参数，但是因为电力电子电路的相似性，为了避免过多的重复，使内容显得很繁琐，在书中前面介绍过的内容在书后面再用到时就简略了，这使仅对某一模型感兴趣的读者感到不便，例如调节器是调速系统常用的模块，在直流调速系统中作了介绍，在交流系统中就不再重复。为了更好地促进电力电子系统的仿真研究和方便读者，本书附了一张光盘，提供了书中介绍的40余个仿真模型。模型在MATLAB7.1版本基础上制作，直接调用输入模块参数就可以运行，这是作者多年工作的积累，提供读者学习和研究使用，希望能起到抛砖引玉的作用。

现代电力系统分析与优化控制 本书全面深入地探讨了当代电力系统运行、规划与控制的核心理论、先进方法及实际应用。全书内容紧密围绕电力系统在能源转型背景下面临的挑战与机遇，旨在为电力系统工程师、科研人员及高年级本科生和研究生提供一套系统、前沿且实用的知识体系。 --- 第一部分：电力系统基础理论的深化与扩展 本部分着重于巩固和深化读者对现代电力系统基本构架的理解，并引入了当前电力系统分析中至关重要的非线性、动态特性和随机性概念。 第一章：同步电机与电力系统暂态分析的再审视 本章首先回顾了经典的两轴理论和功角稳定性分析方法，随后重点转向对高渗透率新能源接入背景下，同步电机暂态行为的非线性建模。详细阐述了次暂态、暂态和稳态过程中，各电磁变量的精确微分方程组的建立与求解。特别分析了大扰动下，机组可能出现的等步长或不等步长下的等值条件，以及如何利用相平面法对简单系统的暂态过程进行定性分析。此外，引入了基于状态空间法的暂态仿真建模方法，为后续的动态控制设计奠定了数学基础。 第二章：潮流计算的鲁棒性增强与稀疏性优化 传统潮流计算（牛顿-拉夫逊法）在处理大规模、高渗透率分布式电源（DERs）接入的电网时，其收敛速度和可靠性面临挑战。本章从矩阵分析的角度出发，深入探讨了雅可比矩阵的结构特性，包括其稀疏性和条件数。内容涵盖了正交配流法（OPF）的数学原理，重点讲解了OPF在系统最优运行（如最小化线损、电压越限约束）中的应用。针对弱收敛区域，本章引入了导纳矩阵修正技术和多时间尺度潮流计算方法，以确保在极端工况下潮流解的快速准确获得。 第三章：电力系统中的随机过程与不确定性建模 现代电网的运行环境充斥着不确定性，主要来源于风电、光伏的随机出力、负荷需求的波动以及设备参数的随机性。本章将概率论与随机过程引入电力系统分析。内容包括：蒙特卡洛模拟在暂态稳定性和电压稳定性评估中的应用；随机潮流（Stochastic Power Flow）的解析方法（如基于多项式混沌展开的随机分析）；以及如何利用场景生成技术来描述未来电网运行的多种可能性，从而指导预防性控制策略的制定。 --- 第二部分：现代电力系统控制与稳定性增强技术 本部分是本书的核心，聚焦于如何设计高效、智能的控制策略来应对电网的动态挑战，特别是对传统励磁和调速系统的扩展与革新。 第四章：电力系统暂态稳定控制策略的先进技术 本章深入探讨了提高系统暂态稳定性的主动控制方法。详细阐述了同步相量测量单元（PMU）提供的高速、高精度数据在广域监测与控制（WAMS）中的应用。重点分析了最优电力潮流（OPF）的实时动态扩展——实时最优功率流（RTOPS）在快速调整发电机出力和无功补偿设备中的作用。对于等值同步机模型的局限性，本章引入了高阶详细机模型的简化和降阶方法，以保证控制系统的实时仿真精度。 第五章：电压稳定性的动态量化与增强 电压失稳是现代电网频繁发生的事件。本章超越了传统的静态电压稳定边界分析，转向动态电压控制。详细介绍了快速无功功率源（如SVC, STATCOM）的控制机理、参数整定及动态响应特性。重点分析了电压源换流器（VSC）在电能质量改善和电网支撑中的作用，包括其内环电流控制、与电网阻抗的交互作用建模，以及如何通过能量函数法来精确预测系统的电压崩溃点。 第六章：系统功角稳定性的复合控制与区域间互联分析 本章针对大规模互联电网中，跨区域的低频振荡和慢速功角失稳问题。详细分析了电力系统稳定器（PSS）的经典设计（如相位补偿法），并在此基础上引入了最优H∞控制和LQR（线性二次型调节器）在设计更具鲁棒性的PSS中的应用。此外，本章探讨了如何利用奇异值分解（SVD）和模态分析来识别系统的关键振荡模式，并据此优化区域间串联补偿器的投入与协调控制。 --- 第三部分：新能源接入与微电网的集成控制 随着分布式能源的爆发式增长，本书专门开辟章节讨论了如何将这些不确定性源安全、可靠地集成到主电网，并对孤岛运行场景进行精确控制。 第七章：高渗透率风电与光伏并网点的动态建模与支撑 本章聚焦于电力电子接口设备对电网特性的影响。详细分析了锁相环（PLL）的结构及其对系统暂态的影响，并提出了基于虚拟同步发电机（VSG）理念的先进控制策略，旨在使基于变流器的发电设备具备传统同步发电机的惯量和阻尼特性。内容还包括了风电场和光伏阵列接入高压系统的暂态稳定裕度评估和暂态过电压抑制技术。 第八章：微电网的运行模式切换与孤岛控制策略 微电网的有效运行依赖于平滑、可靠的并网/孤岛模式切换。本章首先建立考虑了内部阻抗和外部电网等效特性的微电网动态模型。重点阐述了主/从控制、下垂控制（Droop Control）的原理与改进（如虚拟阻抗法解决功率并行的环流问题）。针对直流微电网，本章详细介绍了基于功率角度控制的同步技术及其在实现无功/有功功率独立控制中的优越性。 第九章：电力电子变流器在电网动态支撑中的前沿应用 本章面向未来电网的柔性化发展趋势，探讨了多端口高功率变流器在电网中的核心支撑作用。内容涵盖了多电平变流器的拓扑结构、调制策略（如SPWM、SVPWM）及其在降低谐波和提升动态性能方面的优势。特别强调了直流输电（HVDC）系统中的电压源换流器（VSC-HVDC），如何通过快速的功率转移能力，实现对交流系统稳定性的瞬时增强。 --- 第四部分：电力系统规划与可靠性评估 本书最后一部分将视角从暂态控制提升到系统层面的长期规划与风险管理。 第十章：电力系统可靠性评估的先进方法 本部分不涉及具体的控制算法，而是侧重于评估系统在面对各种故障和随机事件时的承受能力。详细介绍了频率稳定度、电压稳定度、暂态稳定度的评估指标体系。深入讲解了基于状态序列的概率评估方法（如状态空间法），以及如何量化设备随机故障率对系统期望停电时间（EENS）的影响，为投资决策提供量化的技术支撑。 第十一章：大电网的经济性运行与市场机制耦合 本章探讨了如何在满足所有技术约束（潮流、电压、稳定度）的前提下，实现电力系统的最低成本运行。内容包括经济调度的数学规划模型（线性与非线性），以及机会成本和辅助服务市场的定价机制。分析了引入高比例可再生能源后，如何通过日前/实时市场的有效衔接来平衡发电的随机性与系统的运行需求。 --- 总结： 本书力求在理论深度、方法前沿性和工程实用性之间取得平衡，专注于电力系统如何通过更精细化的建模、更智能的控制和更科学的规划，适应高比例新能源接入的未来发展趋势。全书内容彼此关联，层层递进，为读者构建了一个完整的现代电力系统分析与控制的知识框架。