2011 電力電子建模與仿真復(fù)習(xí)課

PAGEPAGE52011年電力電子建模與仿真復(fù)習(xí)課概論電力電子系統(tǒng)覆蓋著從納秒級(jí)的電力電子器件的暫態(tài)過程、毫秒級(jí)的控制器調(diào)節(jié)過程和秒級(jí)的機(jī)電過渡過程。因此，系統(tǒng)的仿真模型非常復(fù)雜，通常是非線性和不連續(xù)的復(fù)雜系統(tǒng)。運(yùn)動(dòng)控制和過程控制是實(shí)際自動(dòng)控制的兩大部類。對(duì)于電力電子系統(tǒng)必須分別研究其變流器部分和系統(tǒng)部分。變流器部分需要采用精確的電力電子器件模型，對(duì)于系統(tǒng)部分則只需采用理想化的器件模型。計(jì)算機(jī)仿真分為三種類型，包括模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真。電力電子系統(tǒng)仿真包括三個(gè)層面：系統(tǒng)層面、電路層面和器件層面。6、器件模型分為三種：1.簡單模型2.一般模型3.精確模型7、常用電力電子仿真平臺(tái)仿真分析軟件：Pspice、Saber、Matlab/Simulink數(shù)學(xué)計(jì)算軟件。簡述模擬計(jì)算機(jī)和數(shù)字計(jì)算機(jī)在仿真中的優(yōu)缺點(diǎn)。答案：模擬計(jì)算機(jī)的進(jìn)行仿真時(shí)，優(yōu)點(diǎn)：①解算結(jié)果和真實(shí)電力電子系統(tǒng)在測(cè)試設(shè)備上觀察到的情況幾乎完全相同。②人機(jī)聯(lián)系極為方便。此外還可以考慮各種非線性因素的影響。③采用并行計(jì)算方式。缺點(diǎn)：①計(jì)算精度不高。②信息的存貯和邏輯判斷功能差。數(shù)字計(jì)算機(jī)的進(jìn)行仿真時(shí)，優(yōu)點(diǎn)：①運(yùn)算精度高。②邏輯運(yùn)算功能強(qiáng)。缺點(diǎn)：①非并行計(jì)算方式，實(shí)時(shí)仿真性能差。電力電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真方法1、描述連續(xù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型大體上分為三種方式：微分方程，傳遞函數(shù)以及狀態(tài)方程。在相同步長情況下，算法階次越高，截?cái)嗾`差越小。在相同算法的情況下，步長越大，截?cái)嗾`差越大。步長越大，計(jì)算次數(shù)越少，由舍入誤差所造成的誤差就越小。步長越小，計(jì)算次數(shù)增加，由舍入誤差所造成的誤差就越大。模擬仿真方法中，通常要用到幅度比例尺和時(shí)間比例尺。兩種比例尺的引入是模擬計(jì)算機(jī)仿真有別于數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真的獨(dú)特之處。1、歐拉法、四階龍格—庫塔法、阿達(dá)姆斯預(yù)估—校正法的計(jì)算精度、計(jì)算速度的比較。歐拉法、四階龍格—庫塔法、阿達(dá)姆斯預(yù)估—校正法、丟斯丁數(shù)值計(jì)算法中，歐拉法的精度最低、四階龍格—庫塔法和阿達(dá)姆斯預(yù)估—校正法精度最高；四階龍格—庫塔法計(jì)算速度最慢，歐拉法計(jì)算速度最快。歐拉法能自起動(dòng)，阿達(dá)姆斯預(yù)估—校正法不能自起動(dòng)。數(shù)值計(jì)算中，產(chǎn)生截?cái)嗾`差和舍入誤差的原因是什么？他們與步長的關(guān)系是怎樣的？并畫出誤差與步長的關(guān)系曲線。答案：截?cái)嗾`差是由于各種數(shù)值積分是采用近似逼近的方法將微分方程轉(zhuǎn)化為差分方程，故存在截?cái)嗾`差。在相同步長情況下，算法階次越高，截?cái)嗾`差越小。在相同算法的情況下，步長越大，截?cái)嗾`差越大。舍入誤差是由于計(jì)算機(jī)字長有限，無法完整存儲(chǔ)數(shù)值而產(chǎn)生的。步長越大，計(jì)算次數(shù)越少，由舍入誤差所造成的誤差就越小。步長越小，計(jì)算次數(shù)增加，由舍入誤差所造成的誤差就越大。仿真步長怎樣選擇？答案：關(guān)于步長的選擇，一種方法是選擇系統(tǒng)微分方程中最小時(shí)間常數(shù)的1/10作為步長；或在被仿真系統(tǒng)中取時(shí)間常數(shù)最小的閉環(huán)。若其開環(huán)頻率特性剪切頗率為，則步長T＝1/／(5—10)?；蛘卟介L取為系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的上升時(shí)間的1/10；也有把步長選取為系統(tǒng)整個(gè)過渡過程的1/40。還有一種辦法是依據(jù)過渡過程各段變比的快慢來選擇不同的步長。一般過渡過程開始階段都變化較快，這時(shí)步長選小些；而當(dāng)接近穩(wěn)定階段過渡過程變化慢。這時(shí)為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，步長可選得大些。請(qǐng)寫出歐拉法、四階龍格—庫塔法、阿達(dá)姆斯預(yù)估—校正法的計(jì)算公式。答案：歐拉法：，以作為初值。四階龍格—庫塔法：式中，阿達(dá)姆斯預(yù)估—校正法：阿達(dá)姆斯顯式公式：阿達(dá)姆斯隱式公式：微分方程法和傳遞函數(shù)法構(gòu)成模擬結(jié)構(gòu)圖的優(yōu)缺點(diǎn)各是什么？答：上面兩種方法的本質(zhì)是一樣的，由于具體的處理方法有所不同，因而各有優(yōu)缺點(diǎn)。采用傳遞函數(shù)法構(gòu)成模擬結(jié)構(gòu)圖時(shí)。所用的運(yùn)算放大器及其他運(yùn)算部件的數(shù)目較少，運(yùn)算電路也較簡單，與典型傳遞函數(shù)環(huán)節(jié)一一對(duì)應(yīng)，直觀性強(qiáng)。但運(yùn)算電路各元件的參數(shù)與傳遞函數(shù)中的時(shí)間常數(shù)、放大倍數(shù)間關(guān)系待定，不易在模擬計(jì)算機(jī)中獲得，這種構(gòu)成模擬結(jié)構(gòu)圖的方法適合系統(tǒng)參數(shù)變化較少的情況。采用微分方程法構(gòu)成模擬結(jié)構(gòu)圖時(shí)，模擬電路所使用的運(yùn)算部件在模擬計(jì)算機(jī)中都能找到。微分方程中的系數(shù)值是由系數(shù)器來設(shè)置的。因此，改變方程的參數(shù)方便。缺點(diǎn)是構(gòu)成的模擬結(jié)構(gòu)圖比較復(fù)雜，使用的運(yùn)算部件也較多。在電力電子系統(tǒng)的仿真中，電機(jī)數(shù)學(xué)模型均是用微分方程組的形式給出，故采用微分方程法構(gòu)成模擬結(jié)構(gòu)圖是電力電子系統(tǒng)模擬仿真的主要方法。計(jì)算：用歐拉法求解如下微分方程，取步長T=0.1，計(jì)算至第5步（n=5）。解：精確解：歐拉法公式為∵∴取步長T=0.1，由T=0開始計(jì)算，則分析題：有下述一階微分方程式：，其中，為系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)。試分析若采用歐拉法求解，計(jì)算是否穩(wěn)定，請(qǐng)指出穩(wěn)定條件。解答：歐拉法公式為，上述方程化為當(dāng)計(jì)算步長等于2倍系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)時(shí)，，說明此時(shí)差分方程的解答在數(shù)值上隨時(shí)間增長，符號(hào)上在交變，計(jì)算將是不穩(wěn)定的。限幅特性、絕對(duì)值特性電力電子系統(tǒng)的建模[實(shí)例1]晶閘管具有如下靜態(tài)特性：；；(當(dāng)25A時(shí))；正向或反內(nèi)漏電流在陽極—陰極電壓為200V時(shí)為1mA，并假設(shè)與晶閘管電壓成正比。在陽極電流很小時(shí)，正向壓降假設(shè)為恒值，且為1V。計(jì)算晶閘管模型參數(shù)。（晶閘管按開關(guān)模型建模）在晶閘管的截止區(qū)間(Ⅰ或Ⅳ區(qū))：在200V時(shí)．；截止區(qū)可以用電阻來建模。由于假設(shè)陽極漏電流與晶閘管電壓成正比，有晶閘管在導(dǎo)通區(qū)間（Ⅲ區(qū)）；在時(shí)，；，它表示陽極電流很小時(shí)的正向壓降，于是則模型參數(shù)，，。畫圖（考）[實(shí)例2]晶閘管具有如下靜態(tài)特性：；；(當(dāng)25A時(shí))；正向或反內(nèi)漏電流在陽極—陰極電壓為200V時(shí)為1mA，并假設(shè)與晶閘管電壓成正比。在陽極電流很小時(shí)，正向壓降假設(shè)為恒值，且為1V。電源變壓器的漏感為1mH。計(jì)算晶閘管模型參數(shù)。（晶閘管按電阻-電感模型建模）1、在導(dǎo)通狀態(tài)，晶閘管由0.02Ω的小電阻來建模。2、在關(guān)斷狀態(tài)，晶閘管由高阻抗來建模。晶閘管在關(guān)斷狀態(tài)的電阻可由給定數(shù)據(jù)直接求得。 晶閘管導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)負(fù)載電路的時(shí)間常數(shù)由下式計(jì)算代入數(shù)值可計(jì)算出。晶閘管關(guān)斷狀態(tài)時(shí)負(fù)載電路的時(shí)間常數(shù)由下式計(jì)算假如，且希望關(guān)斷狀態(tài)的時(shí)間常數(shù)為1ms，可由下式計(jì)算將和的數(shù)值代入，計(jì)算出=200H。這樣，晶閘管在關(guān)斷狀態(tài)可由200kΩ-200H的高阻抗來建模，而在導(dǎo)通狀態(tài)由0.02Ω的電阻來建模。計(jì)算題：晶閘管按照電感—電阻—電容混合模型建模，計(jì)算模型中元件的值。器件額定電壓為2000V，額定有效電流為80A，導(dǎo)通時(shí)間為lμs。在晶閘管關(guān)斷試驗(yàn)中，施加的逆變電壓為1642V，測(cè)得的最大反向電流為14.2A，關(guān)斷時(shí)間在試驗(yàn)條件下為20μs。在1000V電壓下，正向漏電流為100mA。解：簡答題：晶閘管的開關(guān)作用可以用如下邏輯運(yùn)算函數(shù)來表示電力電子系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)方程1、網(wǎng)絡(luò)圖中，具有下述特點(diǎn)的樹：(1)所有電壓源；(2)所有電容；(3)無電感；(4)無電流源，定義為常態(tài)樹。2、修正的常態(tài)樹是包含（1）所有電壓源，（2）最大數(shù)量的電容，（3）最少數(shù)量的電感，（4）沒有電流源的一種樹。3、為了得到常態(tài)樹，將模型中元器件按電壓源、電容、電阻、電感、電流源的順序?qū)λ羞呥M(jìn)行排列。4、若基本割集矩陣寫成，基本回路矩陣寫成，則與的關(guān)系為：。作圖題晶體管斬波電路如圖所示，畫出網(wǎng)絡(luò)圖，并畫出按順序重新排列后的網(wǎng)絡(luò)圖以及其中一個(gè)常態(tài)樹。解答：有一晶體管斬波電路的網(wǎng)絡(luò)圖如圖所示，寫出該電路的關(guān)聯(lián)矩陣、基本割集矩陣和基本回路矩陣。解：關(guān)聯(lián)矩陣基本割集矩陣基本回路矩陣2、有一McMurray斬波器，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3.2所示。請(qǐng)寫出該電路的關(guān)聯(lián)矩陣及基本割集矩陣。關(guān)聯(lián)矩陣基本割集矩陣基本回路矩陣PSPICE電路模擬仿真程序簡答題：1、WINDOWS版本的PSPICE軟件由哪幾大模塊部分組成？答案：WINDOWS版本的PSPICE軟件由6大模塊部分組成。1、Schematics——電路圖輸入模塊；2、PSpiceA/D——電路分析模塊；3、Probe——圖形后處理模塊；4、ModelEditor——器件參數(shù)模型提取模塊；5、StimulusEditor——獨(dú)立的模擬信號(hào)源與數(shù)字信號(hào)源的建立與修改模塊；6、Optimizer——電路優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。2、PSPICE軟件對(duì)電路進(jìn)行基本分析和高級(jí)都有哪些類型？其相關(guān)語句命令是什么？答案：PSPICE軟件對(duì)電路進(jìn)行基本分析有四種類型。直流分析（1）直流工作點(diǎn)分析（.OP）（2）直流掃描分析（.DC）（3）小信號(hào)傳輸函數(shù)計(jì)算（.TF）（4）小信號(hào)靈敏度（.SENS）（5）節(jié)點(diǎn)電壓設(shè)置（.NODESET）交流分析（1）交流掃描（小信號(hào)頻率響應(yīng)）（.AC）（2）噪聲分析（.NOISE）瞬態(tài)分析（1）瞬態(tài)分析/時(shí)域響應(yīng)（.TRAN）（2）傅立葉分析（.FOUR）（3）瞬態(tài)初始條件設(shè)置（.IC）綜合分析（高級(jí)分析）綜合分析都必須伴隨在直流掃描、交流掃描或暫態(tài)分析之后才能執(zhí)行。包括：（1）溫度分析（.TEMP）（2）參數(shù)掃描分析（.STEP）（3）蒙特-卡羅分析（.MC）（4）最壞情況分析（.WCASE）3、PSPICE電路文件的一般格式是什么？作用是什么？答案：PSPICE電路文件分為6部分。（1）標(biāo)題語句：描述電路類型的標(biāo)題。（2）描述語句：定義電路元件和模型參數(shù)。（3）分析語句：定義分析類型。（4）輸出語句：規(guī)定輸出形式以及所要求的輸出結(jié)果。（5）注釋語句：進(jìn)行注釋。（6）結(jié)束語句：程序結(jié)束命令。4、PSPICE仿真軟件的軟件結(jié)構(gòu)是什么？由哪些模塊組成？答案：PSPICE仿真軟件為模塊式軟件結(jié)構(gòu)。共兩層，包括根程序和輸入模塊（READIN）、檢查錯(cuò)誤模塊（ERRCHK）、建立方程模塊（SETUP）、直流模塊（DCTRAN）、交流模塊（ACAN）、迭代模塊（ITER）、輸出模塊（OUTPUT）。PSPICE采用改進(jìn)節(jié)點(diǎn)法建立電路方程；選擇了改進(jìn)的牛頓—拉夫遜方法求解非線性電路方程組；用變步長的吉爾法和梯形法求解常微分方程組。求解過程始終采用了稀疏矩陣技術(shù)。5、蒙特-卡羅分析與最壞情況分析的作用區(qū)別答案：蒙特-