計算機仿真技術(shù)-Chapter2

1、2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2第二章第二章電力電子仿真建?；A(chǔ)電力電子仿真建?；A(chǔ)2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2 一、模型是仿真的基礎(chǔ)，模型一、模型是仿真的基礎(chǔ)，模型與實際系統(tǒng)的相似度，決定了與實際系統(tǒng)的相似度，決定了計算機仿真的準確度。計算機仿真的準確度。 二、應(yīng)用仿真軟件也要深入了二、應(yīng)用仿真軟件也要深入了解建模理論。解建模理論。2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter21. 仿真建模的難點仿真建模的難點：1.1器件模型的適用性u微模型(Micro-Model)器件的微觀物理模型l功能：精確描述開關(guān)轉(zhuǎn)換時刻的電路波形l用于電力電子系統(tǒng)仿

2、真的問題： 仿真效率低 精度受雜散參數(shù)影響l結(jié)論： 一般不用于復(fù)雜電路的仿真2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u宏模型(Macro-Model) 根據(jù)器件外特性建模l功能：足夠反映變流裝置宏觀響應(yīng)波形l宏模型的簡化：l簡化原則： 結(jié)果能夠反映出裝置的響應(yīng)過程 保證數(shù)值計算穩(wěn)定性 計算時間短，代價小2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter21.2 電力電子電路的非線性u開關(guān)非線性電力電子裝置的本質(zhì)特征器件開、關(guān)電路拓撲結(jié)構(gòu)變化狀態(tài)方程周期性變化結(jié)構(gòu)變化的時刻(開關(guān)動作時刻)負荷非線性內(nèi)部狀態(tài)u其它非線性元件非線性控制系統(tǒng)非線性外部控制信號2021-11-25計算機仿真

3、技術(shù)-Chapter2u非線性微分方程組求解 l無解析解l數(shù)值計算復(fù)雜 非線性微分方程組非線性代數(shù)方程組線性代數(shù)方程組結(jié)果數(shù)值積分牛頓拉夫遜法消去法2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter21.3 裝置模型的剛性(病態(tài))電力電子裝置(系統(tǒng))運行中包含各頻率段的過程 電磁過程與機電過程頻率范圍1頻率范圍2電磁現(xiàn)象機電現(xiàn)象行波過程器件開關(guān)過程暫態(tài)過程開關(guān)過電壓短路過程次同步振蕩暫態(tài)穩(wěn)定大功率電機調(diào)節(jié)過程諧波過程時間計算步長裝置內(nèi)部各部分時間常數(shù)相差若干數(shù)量級2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u剛性(病態(tài))系統(tǒng):定義：快、慢過程混合,時間常數(shù)相差巨大的系統(tǒng)步長：由Jaco

4、bi陣的最大特征值決定快過程慢過程小步長大步長計算時間長計算誤差大變步長積分法2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u周期性變化的影響：變步長法的優(yōu)點： 快過程期間用小步長以保證精度 快過程衰減后用大步長以節(jié)省時間電力電子裝置周期性開關(guān)過程快慢過程交替變化步長選擇上花費大量時間2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter22. 仿真建模方法仿真建模方法解決途徑數(shù)值計算方法建模方法器件模型簡化電路簡化電氣工程背景知識2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter22.1 多層次建模方法 1. 分析問題的性質(zhì)與目的 2. 將建模的目的分散到各個層次上 3. 在不同層次上利用

5、不同的軟硬件工具與技術(shù)建立不同的數(shù)學(xué)模型低層次建模高層次建模抓主要矛盾逐個擊破2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u三個研究對象：器件：構(gòu)成電路的具體元器件，主要指各種電力電子器件。裝置：能夠獨立完成某種特定功能的機構(gòu)，主要指電力電子電路。系統(tǒng)：由若干電路及相互作用的其它單元組成的集合體。系統(tǒng)裝置器件2.2 器件、裝置與系統(tǒng)建模2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u仿真目的l器件仿真：研究器件開關(guān)轉(zhuǎn)換時刻的電路波形，考察其承受的電壓、電流強度，選擇器件及緩沖電路。l裝置、系統(tǒng)仿真：作為一個整體的響應(yīng)過程，基本組成部分之間的相互關(guān)系和自身的開環(huán)、閉環(huán)動靜態(tài)特性。l

6、高層次模型并非低層次模型的簡單組合，而是對其進行合理簡化后的機理性模型。抽取與仿真目的有關(guān)的特征關(guān)系，忽略其它的非特征信息。 2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u低層次建模 模型：建立器件的精確、詳細的物理模型 簡化： 外圍電路可以簡化 選擇典型運行點進行研究 仿真時間可縮短2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u高層次建模 模型：僅需反映系統(tǒng)功能的某些主要特性 簡化： 理想開關(guān)模型 開關(guān)周期平均模型 電源周期平均模型 2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter23. 器件仿真建模器件仿真建模電阻電阻電感電感電容電容電源電源電力電子電力電子開關(guān)器件開關(guān)器

7、件建模正確反映正確反映器件的器件的電氣性能電氣性能便于便于計算機計算機仿真程序仿真程序設(shè)計設(shè)計2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u器件模型分類l物理模型： 考慮半導(dǎo)體物理參數(shù)，包括原子雜質(zhì)濃度、載流子壽命、載流子遷移率等。 根據(jù)描述器件電特性的基本物理原理，建立偏微分方程求解。 用于半導(dǎo)體器件的設(shè)計。l工藝模型： 考慮工藝參數(shù)，應(yīng)用統(tǒng)計方法建模，用于器件制造l電學(xué)模型 考慮主要輸入輸出效應(yīng)，即端電壓和電流。 參數(shù)可由外部實驗測量。 廣泛用于電路設(shè)計。2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u仿真軟件中的三種電學(xué)模型l基本模型： 根據(jù)電力電子器件的簡化物理規(guī)律，對S

8、pice軟件中原有的小功率器件的模型參數(shù)進行優(yōu)化，引入新的特性，使模型更適于模擬大功率器件。l子電路模型： 根據(jù)器件的物理規(guī)律，建立等效電路，利用軟件已有的半導(dǎo)體器件和無源器件模型，組成新的模型。l數(shù)學(xué)模型 對用戶開放的軟件中，可以利用器件物理過程中抽象出的數(shù)學(xué)方程進行編程，如Saber、Matlab等。2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2uORCAD/PSpice中器件模型舉例l二極管模型2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter22021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2lIGBT模型2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2lIGBT模型202

9、1-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2ORCAD/PSpice、SABER等軟件提供了詳細的器件模型，可用于器件級仿真。MATLAB軟件雖然也可用m語言建立器件的詳細模型，但一般不用于器件級仿真。2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter24 裝置仿真建模電力電子電路的本質(zhì)特性開關(guān)特性器件綜合模型理想開關(guān)模型忽略器件內(nèi)部過程對裝置性能的影響開關(guān)決定電路不同拓撲不同阻值電阻代替開關(guān)器件瞬時完成開關(guān)動作2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u理想開關(guān)1 非線性時變電路 分段線性時不變電路u任一時刻電力電子電路拓撲均為線性時不變電路，仿真過程體現(xiàn)為對這一系列線性拓撲按時

10、間序列進行計算。u一個開關(guān)狀態(tài)中電容電壓、電感電流的終值，將成為下一個開關(guān)狀態(tài)中的初值。u開關(guān)動作的時刻由外部與內(nèi)部兩種因素決定，后者是難點。2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2例：Boost電路 2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2gCLlcCLuLuiCRRLRui0/1)/(100/gCLlclcllcllcCLuLuiCRRCRRRLRRRLRRRui0/ 1)/(1)/()/(/ )/(gCLlcCLuuiCRRui00)/(10002021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u理想開關(guān)1 uN個開關(guān)對應(yīng)2N個拓撲維數(shù)災(zāi)u通過分析去除無效拓撲u

11、開關(guān)函數(shù)法u較適用于DC/DC電路2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u理想開關(guān)2 u通態(tài)小電阻、斷態(tài)大電阻u狀態(tài)方程不變，方程中系數(shù)變u便于分析，為大多數(shù)軟件使用u兩阻值間的連續(xù)過渡區(qū)2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter25 系統(tǒng)仿真建模u“系統(tǒng)”的含義l控制“系統(tǒng)”電力電子電路(主電路)+控制回路(算法)研究在反饋控制作用下，電路的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)性能。l機電 “系統(tǒng)”電力電子電路+電機l電力“系統(tǒng)”含有電力電子裝置的電力系統(tǒng)的行為分析l實際裝置“系統(tǒng)”弱電電路、電磁兼容、溫度分析2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2u系統(tǒng)級仿真的簡化方法5.1 器件

12、級的簡化(理想開關(guān)基礎(chǔ)上的簡化) 主要用于電力電子電路的控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真l開關(guān)函數(shù)法(以三相電壓型變流器為例)開關(guān)斷開開關(guān)閉合01iS111ccbbaaSSSSSSdccdbbdaaESuESuESuccbbaadiSiSiSi2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2l狀態(tài)空間平均法(以DC/DC變流器為例)假設(shè)電流連續(xù)，分段線性狀態(tài)方程當(dāng)變流器處于第一個拓撲條件下時，1111111111uDxCyuBxAxskkdTttt2222222222uDxCyuBxAx1kskttdTt當(dāng)變流器處于第二個拓撲條件下時，其中Ts為開關(guān)周期，d為占空比1)(1kkttsdttSTSd20

13、21-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2狀態(tài)平均方程uDDxCCyuBBxAAx1111)1 ()1 ()1 ()1 (2222ddddddddgCLlcCLuLuiCRRLRui0/1)/(100/gCLlclcllcllcCLuLuiCRRCRRRLRRRLRRRui0/1)/(1)/()/(/ )/(例：Boost電路2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter2Boost電路狀態(tài)平均方程gCLlclcllcllcCLuLuiCRRCRRRdLRRRdLRRdRui0/1)/(1)/()1 ()/()1 (/ )/)1 (進一步簡化 小信號模型dxdduuuxxx0002021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapter25.2 裝置級的簡化 用于機電系統(tǒng)或電力系統(tǒng)分析l時延模型 如晶閘管變流器可用延遲環(huán)節(jié)來描述l傳遞函數(shù)法 如變流器的小信號模型l電納模型 如SVC中的TCR(晶閘管控制電抗器)可用等效電納表示，來研究SVC對電力系統(tǒng)的補償作用。l等效受控電源模型 如逆變器可以用可控電壓源表示2021-11-25計算機仿真技術(shù)-Chapt