計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)-Chapter2

第二章

電力電子仿真建?；A(chǔ)4/12/20241精選ppt一、模型是仿真的基礎(chǔ)，模型與實(shí)際系統(tǒng)的相似度，決定了計(jì)算機(jī)仿真的準(zhǔn)確度。

二、應(yīng)用仿真軟件也要深入了解建模理論。4/12/20242精選ppt1.仿真建模的難點(diǎn)：1.1器件模型的適用性微模型(Micro-Model)－器件的微觀物理模型功能：精確描述開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)刻的電路波形用于電力電子系統(tǒng)仿真的問題：－仿真效率低－精度受雜散參數(shù)影響結(jié)論：一般不用于復(fù)雜電路的仿真4/12/20243精選ppt宏模型(Macro-Model)

－根據(jù)器件外特性建模功能：足夠反映變流裝置宏觀響應(yīng)波形宏模型的簡(jiǎn)化：簡(jiǎn)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(jì)算穩(wěn)定性－計(jì)算時(shí)間短，代價(jià)小4/12/20244精選ppt1.2電力電子電路的非線性開關(guān)非線性－電力電子裝置的本質(zhì)特征器件開、關(guān)電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化狀態(tài)方程周期性變化結(jié)構(gòu)變化的時(shí)刻(開關(guān)動(dòng)作時(shí)刻)負(fù)荷非線性內(nèi)部狀態(tài)其它非線性元件非線性控制系統(tǒng)非線性外部控制信號(hào)4/12/20245精選ppt非線性微分方程組求解

無解析解數(shù)值計(jì)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4/12/20246精選ppt1.3裝置模型的剛性(病態(tài))電力電子裝置(系統(tǒng))運(yùn)行中包含各頻率段的過程－電磁過程與機(jī)電過程頻率范圍1頻率范圍2電磁現(xiàn)象機(jī)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(jī)調(diào)節(jié)過程諧波過程時(shí)間計(jì)算步長(zhǎng)裝置內(nèi)部各部分時(shí)間常數(shù)相差若干數(shù)量級(jí)4/12/20247精選ppt剛性(病態(tài))系統(tǒng):定義：快、慢過程混合,時(shí)間常數(shù)相差巨大的系統(tǒng)步長(zhǎng)：由Jacobi陣的最大特征值決定快過程慢過程小步長(zhǎng)大步長(zhǎng)計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)計(jì)算誤差大變步長(zhǎng)積分法4/12/20248精選ppt周期性變化的影響：變步長(zhǎng)法的優(yōu)點(diǎn)：－快過程期間用小步長(zhǎng)以保證精度－快過程衰減后用大步長(zhǎng)以節(jié)省時(shí)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(zhǎng)選擇上花費(fèi)大量時(shí)間4/12/20249精選ppt2.仿真建模方法解決途徑數(shù)值計(jì)算方法建模方法器件模型簡(jiǎn)化電路簡(jiǎn)化電氣工程背景知識(shí)4/12/202410精選ppt2.1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(gè)層次上

3.在不同層次上利用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(gè)擊破4/12/202411精選ppt三個(gè)研究對(duì)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(dú)立完成某種特定功能的機(jī)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4/12/202412精選ppt仿真目的器件仿真：研究器件開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)刻的電路波形，考察其承受的電壓、電流強(qiáng)度，選擇器件及緩沖電路。裝置、系統(tǒng)仿真：作為一個(gè)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(dòng)靜態(tài)特性。高層次模型并非低層次模型的簡(jiǎn)單組合，而是對(duì)其進(jìn)行合理簡(jiǎn)化后的機(jī)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。4/12/202413精選ppt低層次建模

模型：建立器件的精確、詳細(xì)的物理模型簡(jiǎn)化：－外圍電路可以簡(jiǎn)化－選擇典型運(yùn)行點(diǎn)進(jìn)行研究－仿真時(shí)間可縮短4/12/202414精選ppt高層次建模

模型：僅需反映系統(tǒng)功能的某些主要特性簡(jiǎn)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4/12/202415精選ppt3.器件仿真建模

電阻電感電容電源電力電子開關(guān)器件建模正確反映器件的電氣性能便于計(jì)算機(jī)仿真程序設(shè)計(jì)4/12/202416精選ppt

器件模型分類物理模型：

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(jì)。工藝模型：

考慮工藝參數(shù)，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)方法建模，用于器件制造電學(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(shí)驗(yàn)測(cè)量。廣泛用于電路設(shè)計(jì)。4/12/202417精選ppt

仿真軟件中的三種電學(xué)模型基本模型：

根據(jù)電力電子器件的簡(jiǎn)化物理規(guī)律，對(duì)Spice軟件中原有的小功率器件的模型參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，引入新的特性，使模型更適于模擬大功率器件。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。數(shù)學(xué)模型

對(duì)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(jìn)行編程，如Saber、Matlab等。4/12/202418精選ppt

ORCAD/PSpice中器件模型舉例二極管模型4/12/202419精選ppt4/12/202420精選ppt

IGBT模型4/12/202421精選ppt

IGBT模型4/12/202422精選pptORCAD/PSpice、SABER等軟件提供了詳細(xì)的器件模型，可用于器件級(jí)仿真。MATLAB軟件雖然也可用m語(yǔ)言建立器件的詳細(xì)模型，但一般不用于器件級(jí)仿真。4/12/202423精選ppt4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(duì)裝置性能的影響開關(guān)決定電路不同拓?fù)洳煌柚惦娮璐骈_關(guān)器件瞬時(shí)完成開關(guān)動(dòng)作4/12/202424精選ppt理想開關(guān)1

非線性時(shí)變電路－分段線性時(shí)不變電路任一時(shí)刻電力電子電路拓?fù)渚鶠榫€性時(shí)不變電路，仿真過程體現(xiàn)為對(duì)這一系列線性拓?fù)浒磿r(shí)間序列進(jìn)行計(jì)算。一個(gè)開關(guān)狀態(tài)中電容電壓、電感電流的終值，將成為下一個(gè)開關(guān)狀態(tài)中的初值。開關(guān)動(dòng)作的時(shí)刻由外部與內(nèi)部?jī)煞N因素決定，后者是難點(diǎn)。4/12/202425精選ppt例：Boost電路

4/12/202426精選ppt4/12/202427精選ppt理想開關(guān)1

N個(gè)開關(guān)對(duì)應(yīng)2N個(gè)拓?fù)洌S數(shù)災(zāi)通過分析去除無效拓?fù)溟_關(guān)函數(shù)法較適用于DC/DC電路4/12/202428精選ppt理想開關(guān)2

通態(tài)小電阻、斷態(tài)大電阻狀態(tài)方程不變，方程中系數(shù)變便于分析，為大多數(shù)軟件使用兩阻值間的連續(xù)過渡區(qū)4/12/202429精選ppt5系統(tǒng)仿真建模“系統(tǒng)”的含義控制“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(dòng)態(tài)性能。機(jī)電“系統(tǒng)”電力電子電路+電機(jī)電力“系統(tǒng)”含有電力電子裝置的電力系統(tǒng)的行為分析實(shí)際裝置“系統(tǒng)”弱電電路、電磁兼容、溫度分析4/12/202430精選ppt系統(tǒng)級(jí)仿真的簡(jiǎn)化方法5.1器件級(jí)的簡(jiǎn)化(理想開關(guān)基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)化)

主要用于電力電子電路的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與仿真開關(guān)函數(shù)法(以三相電壓型變流器為例)4/12/202431精選ppt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(gè)拓?fù)錀l件下時(shí)，當(dāng)變流器處于第二個(gè)拓?fù)錀l件下時(shí)，其中Ts為開關(guān)周期，d為占空比4/12/202432精選ppt狀態(tài)平均方程例：Boost電路4/12/202433精選pptBoost電路狀態(tài)平均方程進(jìn)一步簡(jiǎn)化

小信號(hào)模型4/12/202434精選ppt5.2裝置級(jí)的簡(jiǎn)化

用于機(jī)電系統(tǒng)或電力系統(tǒng)分析時(shí)延模型如晶閘管變流器可用延遲環(huán)節(jié)來描述傳遞函數(shù)法

如變流器的小信號(hào)模型電納模型

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(duì)電力系統(tǒng)的補(bǔ)償作用。等效受控電源