单相矩阵变换器Simulink仿真模型

资 源 简 介

该项目是一个基于MATLAB/Simulink环境开发的单相矩阵变换器（Single Phase Matrix Converter, SPMC）仿真系统。其核心功能是实现单相交流电到单相交流电的直接频率与电压变换，无需直流环节大电容，从而提高了系统的功率密度和使用寿命。该模型构建了由四个双向功率开关（通常由IGBT反并联组成）构成的矩阵拓扑，并集成了先进的PWM调制控制策略。通过控制算法精确计算每个开关的占空比，系统能够实时调整输出电压的幅值和频率，满足不同负载的需求。该仿真系统不仅展示了基础的AC-AC

详 情 说 明

单相矩阵变换器 (SPMC) 仿真项目说明文档

项目介绍

本项目提供了一个基于 MATLAB 环境开发的单相矩阵变换器（Single Phase Matrix Converter, SPMC）数学建模与仿真系统。该系统通过数值迭代算法模拟了电力电子变换器的动态特性，实现了单相交流电到单相交流电的直接频率与电压变换。与传统的交-直-交变换器不同，本模型体现了矩阵变换器无需直流环节大电容的特点，能够显著减小系统体积并延长使用寿命，是交流变频领域的重要研究方向。

核心功能特性

1. 频率与电压直接变换：支持将输入频率（如50Hz）直接转换为目标频率（如25Hz），并可通过调制度精确控制输出电压幅值。
2. 闭环数值仿真：采用状态空间迭代算法，以 1MHz 的超高采样频率模拟电路内部的瞬变过程。
3. 输入滤波系统：内置 LC 滤波器模型，有效抑制变换器产生的切线谐波对输入侧电能质量的影响。
4. 四象限运行控制：集成了针对双向开关设计的脉冲发生逻辑，根据输入电压极性实时调整开关序列。
5. 综合性能评价：自动进行快速傅里叶变换（FFT）分析，计算总谐波畸变率（THD）并生成频谱图。
6. 动态负载模拟：支持阻感（RL）串联负载的动态响应检测。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 及以上版本。
2. 工具箱需求：基本 MATLAB 功能（代码中使用内置 fft 函数，无需额外特殊工具箱）。
3. 硬件建议：由于仿真步长达到微秒级（1MHz），建议配备 8GB 以上内存的计算机。

仿真代码执行逻辑说明

仿真程序按照电力电子系统的物理特性，分为以下五个核心执行步骤：

1. 静态参数初始化：

程序首先定义仿真步长（1e-6s）和时长，设置输入源（220V/50Hz）以及目标输出参数（调制度 0.8，频率 25Hz）。同时预设硬件电路中的滤波电感、滤波电容以及负载阻抗的具体数值。

1. 调制波与载波生成：

系统生成一组正弦调制参考波和 10kHz 的三角载波。通过二者比较生成基础的 SPWM 信号。

1. 开关逻辑切换：

这是代码的关键逻辑。由于矩阵变换器没有直流母线，程序必须实时检测输入电压的极性。当输入电压为正时，PWM 高电平导通对角组 1（S11/S22），低电平导通对角组 2（S12/S21）；当输入电压为负时，逻辑自动翻转，以确保输出端的极性符合调制波的要求。

1. 物理状态空间迭代：

在每一个步长内，程序通过一阶数值积分求解四个核心微分方程：

• 输入线电流的变化率（受电感 Lin 控制）。
• 输入滤波电容电压的变化率（由线电流与变换器输入电流的差值决定）。
• 变换器输出电压的瞬时合成（基于开关状态和电容电压）。
• 负载电流的变化率（受负载 L_load 和 R_load 共同作用）。

1. 后处理与报告生成：

仿真结束后，程序截取稳态运行阶段的数据进行波形回放。通过 FFT 算法计算基波幅值，并提取高次谐波成分以计算 THD 比例。

算法与关键技术细节

1. 双向开关等效建模：

代码中通过 sw_state（取值 1 或 -1）来抽象描述双向开关的功能组合，这种建模方式准确捕捉了矩阵变换器在不同输入极性下的换流路径选择。

1. LC 滤波器动态响应：

程序不仅模拟了功率变换，还详细计算了滤波电感电流 i_line 和电容电压 v_cin 的交互过程，能够观察到输入电流在滤波前后的波形改善。

1. SPWM 调制策略：

采用载波垂直比较法，通过调整有效矢量的作用时间（即占空比），在每一个载波周期内合成目标电压的平均值。

1. 数据处理精度：

为了准确分析 THD，程序专门截取了稳态后的整数个基波周期进行计算，避免了由于非整周期截断产生的频谱泄露问题。

使用方法

1. 打开 MATLAB 软件。
2. 将仿真程序脚本放置在 MATLAB 的工作目录下。
3. 直接在命令行窗口输入该程序的名称并回车，或者点击“运行”按钮。
4. 运行完成后，系统会自动弹出包含四个子图的仿真曲线窗口，分别展示：

• 输入电压与电流波形（验证功率因数和滤波效果）。
• 关键开关的触发脉冲（呈现逻辑切换细节）。
• 输出电压与负载电流波形（验证变频变压效果）。
• 输出电压频谱图（评估电能质量）。

1. 此时 MATLAB 控制台会同步打印出详细的仿真报告，包含 THD 数值和频率参数。