电力电子装置(系统)仿真-h

第4章电力电子装置 (系统)仿真
武汉大学电气工程学院

本章主要内容
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第4章电力电子装置(系统)仿真
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4.1计算机仿真概述

4.2电力电子器件仿真建模
4.3电力电子装置(系统)建模 4.4电力电子装置(系统)仿真实例

参考教材：《电力电子电路的计算机仿真》陈建业编著清华大学出版社

4.1 计算机仿真概述
1 计算机辅助设计
计算机辅助设计（CAD）技术是利用计算机高速而精确的计算能力、大容量存储和处理数据的能力，结合设计者的综合分析、逻辑判断及创造性思维，用以加快设计进程、缩短设计周期、提高设计质量的技术。说明：计算机辅助设计从广义上来讲它包含了计算机仿真的内容，从狭义上说它的主要工作是利用计算机的运算能力来处理设计者手工处理所遇到的不便与繁琐。

4.1 计算机仿真概述
2 计算机仿真
仿真的基本思想是利用物理的或数学的模型来类比模仿现实过程，以寻求对真实过程的认识。它所遵循的基本原则是相似性原理。
计算机仿真是基于所建立的系统仿真模型，利用计算机对系统进行分析与研究的方法。

4.1 计算机仿真概述
3 计算机仿真模型
模型是对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述，是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们认识事物的一种手段或工具。模型的分类 ? 物理模型：指不以人的意志为转移的客观存在的实体，如：飞行器研制中的飞行模型；船舶制造中的船舶模型等。 ? 数学模型：是从一定的功能或结构上进行相似，用数学的方法来再现原型的功能或结构特征。 ? 仿真模型：指根据系统的数学模型，用仿真语言转化为计算机可以实施的模型。

4.1 计算机仿真概述
3 计算机仿真模型
例如一个由质量、弹簧和阻尼器组成的机械系统，一个由电源、电阻、电感和电容组成的电气系统。描述其行为的微分方程分别为： 2 dx2 dx d q dq 1 dq m 2 ?f ? kx ? P L 2 ?R ? q ? E, i ? dt dt dt dt C dt 从上式可以看出，二者具有相似的数学描述，参数上存在对应关系，同时二者的响应具有相似的振荡特性。可以说，从数学上二者是等效的，微分方程是相似的，二者是相似系统。

4.1 计算机仿真概述
3 计算机仿真模型
相似系统的概念在仿真中非常重要，可以通过建立一个与研究对象相似的易于实现的系统来进行实验，从而获得研究对象的相关信息。这就是整个仿真的理论基础。

机械系统
力P
质量m 弹簧摩擦系数f 弹簧刚度k 位移x

电气系统
电压E
电感L 电阻R 电容倒数1/C 电量q

速度dx/dt

电流i

4.1 计算机仿真概述
4 计算机仿真三要素
系统：研究的对象模型：

系统的抽象计算机：工具与手段
μ ? 3 í ¨ ? ￠ á y ê § ? ￡ ? í D ￡ ? í D ? ·? ? μ ê ? ? ? ? ? ? ú ? ¨ ? ￠ á ? ·? ? ￡ ? í D á ? ? 1 ? ·? ?

? í 1.1 ? ? ? ? ú ? ? ·? ? y è a ò × ? × 1 μ ? ? í

4.1 计算机仿真概述
ê ? a ì ? μ ? 2 ? ê

4 计算机仿真基本步骤
建模→仿真实验→结果分析
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a é ? ? ? ? ? ± ¨ ? ￠ á ￡ ? í D à ±ì 3 ò D ? ? ¤ ? y ? · è ? ó ? · ê ? · è ? è ê ? ? ·? ? μ ê ? ? a é ? ? ? ? D ? ·? ? ? ê ? 3 á ? ? 1
? 1.2 ? í ? ? ? ? ú · ? ? ? 3 ì D ò á ÷3 ì

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4.1 计算机仿真概述
5 计算机数字仿真
数字仿真数字仿真的工具是数字计算机，将连续的数学计算转换为离散形式，根据数值计算方法，将模型的计算编制成计算机能够识别的程序。这种方法求解得到的是微分方程在一系列离散时间点上状态变流的近似解，本质上是利用差分方程的解来近似微分方程的解。
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4.1 计算机仿真概述
5 计算机数字仿真
数字积分方法——欧拉法描述系统的状态方程如： y ' ? f ( x, y)
?

则有： y1 ? y0 ? hf ( x0 , y0 ) 特点：算法简单、计算速度快；计算精度不好，数字稳定性差。目前仿真软件里面通常不用，介绍主要是帮助理解数值积分方法的基本原理。

4.1 计算机仿真概述
5 计算机数字仿真
数字积分方法——龙格库塔(RK)法为减轻对前一个点计算值的依赖，可以利用前面若干个点的值的线性组合，例如4阶RK法： 1
?

特点：精度相对要高、具有较高的数值稳定，但是要求所求解的函数一阶以上的导数连续。

yk ?1 ? yk ? (k1 ? 2k 2 ? 2k3 ? k 4 ) 6 k1 ? hf ( xk , yk ) h k k 2 ? hf ( xk ? , yk ? 2 ) 2 2 k h k3 ? hf ( xk ? , yk ? 3 ) 2 2 k 4 ? hf ( xk ? h, yk ? k3 )

4.1 计算机仿真概述
5 计算机数字仿真
电力电子器件开关过程给数值计算带来与其余系统仿真不同的问题： ? 步长选择困难，定步长可能导致计算误差的积累；变步长算法在开关状态改变时需要花较多时间寻找合适的步长； ? 算法收敛性问题 ? 数值积分方法会引起开关动作时刻的数值振荡；

4.1 计算机仿真概述
6 常用电力电子仿真软件
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通用电子电路仿真软件(Pspice、Saber) 通过改造原有软件中的小功率器件模型获得大功率器件模型，因而不能模拟电力电子器件的高电压、大注入现象，可能获得错误结果。适合研究电路的基本特性。 ? 采用理想开关模型的专用仿真软件(EMTP、Matlab) 在电力系统电磁暂态分析软件 EMTP 以及控制系统设计软件 Matlab中引入理想开关模型，从而可以进行电力电子装置的系统应用研究。显然这种仿真软

件也是适合与系统级的电力电子仿真，只不过加入了特定的系统背景，例如：模拟电力系统、负载的控制系统。

4.1 计算机仿真概述
6 常用电力电子仿真软件
专门电力电子系统设计的仿真软件例如开关电源设计用的SIMPLIS软件。
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电力电子仿真在装置(系统)设计中的作用非常明显，可以降低研发成本，提高研发速度，最重要的是可以获得很多实际装置中难以获得的信息。例如各种动态特性、器件参数变动对系统特性的影响。此外，仿真中“器件模型”不会损坏也使得我们可以“放心”使用。

4.2 电力电子器件仿真建模
1 引言
对电力电子系统而言，通常将其分为：器件 ( 电力电子器件、电感电容等 ) 、电路和系统三级来进行分析。器件建模和仿真是电路和系统仿真建模的基础。“理想”的器件模型应该满足一下条件：
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在较宽的电压、电流范围内有足够的精度反应器件特性；
器件的参数和物理过程具有对应关系，根据研究目的可以适当做一些近似和简化；

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模型适合计算机软件分析和运算

4.2 电力电子器件仿真建模
1 引言
器件建模涉及到电磁学、热学、半导体物理等多个领域，精确描述其物理过程数学模型非常复杂，也是不可能。根据研究的目的和性质可以分为：
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工艺模型——主要用于器件的设计制造；

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物理模型——同样用于器件的设计制造；
电学模型——主要考虑器件输入输出的效应，即器件的端电压和端电流的变化。这种模型是从物理模型简化得到，适合于研究电路特性。可以：基本模型、子电路模型、数学模型。

4.2 电力电子器件仿真建模
2 基本模型
器件电学基本模型是根据器件的理想化的物理规律，建立状态方程，并编制相应的程序语言。以Pspice二极管模型为例。理想二极管可用非线性二极管方程来描述：

其仿真模型为：

4.2 电力电子器件仿真建模
3 子电路模型
利用已有的通用模型，按物理规律组合而成的新模型，实际中又可以分成原理性模型、功能性模型。
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晶闸管原理性模型

4.2 电力电子器件仿真建模
3 子电路模型
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行为级模型

为避免原理性模型中参数的不精确导致的误差，可以采用行为级模型，只对系统的输入输出进行研究而完全忽略器件的内部结构和特性，采用数学方程、表格、子电路或框图的形式进行建模。

4.2 电力电子器件仿真建模
4 数学模型
通过软件中引入新的代表功率器件简化物理特性的数学方程，特别是偏微分方程来对电力电子器件进行建模。其特点在于计算效率高，且允许用户自己编程构架新的器件模型。

4.3 电力电子装置(系统)建模
1 引言

电力电子装置：能够完成某种特定功能的机构。

电力电子系统：装置＋负荷(控制对象)＋控制系统。
电力电子装置(系统)仿真的目的：研究各部分之间的相互关系及其自身的动、静态特性。在这种装置级的仿真中不是特别关注器件开关的瞬态过程，重点关注的是电力电子电路的开关非线性。

4.3 电力电子装置(系统)建模
1 引言
电力电子装置(系统)仿真具有以下特性：
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非线性

器件本身的非线性，但在理想开关模型的基础下主要是由于器件通断造成的电路拓扑结构的变化，从而引起状态方程的周期性变化给分析造成困难。此外，一些铁磁材料如电感本身的非线性、电阻电容实际中也存在部分非线性。控制系统的非线性主要来源于：时滞及最小和最大开关时间的限制、采用的非线性控制算法。

4.3 电力电子装置(系统)建模
1 引言
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混合性

包含控制电路、主电路、电源和负荷等，各自具有不同的模拟和数字组成电路。因此整个系统可能涉及到：半导体开关、电气系统、机械系统(传动)、热系统(加热)、化学系统(电解、电镀)。因此给模型建立、分析和设计方法带来了困难。

4.3 电力电子装置(系统)建模
1 引言