計算機仿真技術-Chapter2.ppt

1、第二章電力電子仿真建?；A,2020/9/19,一、模型是仿真的基礎，模型與實際系統(tǒng)的相似度，決定了計算機仿真的準確度。 二、應用仿真軟件也要深入了解建模理論。,2020/9/19,1. 仿真建模的難點： 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：精確描述開關轉(zhuǎn)換時刻的電路波形 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 結論： 一般不用于復雜電路的仿真,2020/9/19,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波形 宏模型的簡化： 簡化原則： 結果能夠反映出裝置的響應過程 保證數(shù)值計算穩(wěn)定

2、性 計算時間短，代價小,2020/9/19,1.2 電力電子電路的非線性,開關非線性電力電子裝置的本質(zhì)特征,結構變化的時刻 (開關動作時刻),負荷非線性,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,2020/9/19,非線性微分方程組求解,無解析解 數(shù)值計算復雜,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,結果,數(shù)值積分,牛頓拉夫遜法,消去法,2020/9/19,1.3 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 器件開關過程,暫態(tài)過程 開關過電壓,短路過程 次

3、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,2020/9/19,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Jacobi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,2020/9/19,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 周期性開關過程,快慢過程 交替變化,步長選擇上 花費大量時間,2020/9/19,2. 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

4、,電路 簡化,電氣工程背景知識,2020/9/19,2.1 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. 在不同層次上利用不同的軟硬件工具與技術建立不同的數(shù)學模型,低層次建模 高層次建模,抓主要矛盾,逐個 擊破,2020/9/19,三個研究對象： 器件：構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，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。,2.2 器件、裝置與系統(tǒng)建模,2020/9/19,仿真目的 器件仿真：研究器件開關轉(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

5、路。 裝置、系統(tǒng)仿真：作為一個整體的響應過程，基本組成部分之間的相互關系和自身的開環(huán)、閉環(huán)動靜態(tài)特性。 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的特征關系，忽略其它的非特征信息。,2020/9/19,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,2020/9/19,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： 理想開關模型 開關周期平均模型 電源周期平均模型,2020/9/19,3. 器件仿真建模,電阻 電感 電容,電源,電力電子 開關器件,建模,正確反映 器件的

6、 電氣性能,便于 計算機 仿真程序 設計,2020/9/19,器件模型分類 物理模型： 考慮半導體物理參數(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。 用于半導體器件的設計。 工藝模型： 考慮工藝參數(shù)，應用統(tǒng)計方法建模，用于器件制造 電學模型 考慮主要輸入輸出效應，即端電壓和電流。 參數(shù)可由外部實驗測量。 廣泛用于電路設計。,2020/9/19,仿真軟件中的三種電學模型 基本模型： 根據(jù)電力電子器件的簡化物理規(guī)律，對Spice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。 子電路模型： 根據(jù)器件的

7、物理規(guī)律，建立等效電路，利用軟件已有的半導體器件和無源器件模型，組成新的模型。 數(shù)學模型 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)學方程進行編程，如Saber、Matlab等。,2020/9/19,ORCAD/PSpice中器件模型舉例 二極管模型,2020/9/19,2020/9/19,IGBT模型,2020/9/19,IGBT模型,2020/9/19,ORCAD/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。,2020/9/19,4 裝置仿真建模,電力電子電路的本質(zhì)特性開關特性

8、,器件綜合模型,理想開關模型,忽略器件內(nèi)部過程對裝置性能的影響,開關決定 電路 不同拓撲,不同阻值 電阻 代替開關,器件瞬時完成開關動作,2020/9/19,理想開關1 非線性時變電路 分段線性時不變電路,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間序列進行計算。 一個開關狀態(tài)中電容電壓、電感電流的終值，將成為下一個開關狀態(tài)中的初值。 開關動作的時刻由外部與內(nèi)部兩種因素決定，后者是難點。,2020/9/19,例：Boost電路,2020/9/19,2020/9/19,理想開關1,N個開關對應2N個拓撲維數(shù)災 通過分析去除無效拓撲 開關函數(shù)法 較適用于DC/

9、DC電路,2020/9/19,理想開關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),2020/9/19,5 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)、動態(tài)性能。 機電 “系統(tǒng)” 電力電子電路+電機 電力“系統(tǒng)” 含有電力電子裝置的電力系統(tǒng)的行為分析 實際裝置“系統(tǒng)” 弱電電路、電磁兼容、溫度分析,2020/9/19,系統(tǒng)級仿真的簡化方法 5.1 器件級的簡化(理想開關基礎上的簡化) 主要用于電力電子電路的控制系統(tǒng)的設計與仿真 開關函數(shù)法(以三相電壓型變流器為例),2020/9/19,狀態(tài)空間平均法(以DC/DC變流器為例),假設電流連續(xù)，分段線性狀態(tài)方程 當變流器處于第一個拓撲條件下時，,當變流器處于第二個拓撲條件下時，,其中Ts為開關周期，d為占空比,2020/9/19,狀態(tài)平均方程,例：Boost電路,2020/9/19,Boost電路狀態(tài)平均方程,進一步簡化 小信號模型,2020/9/19,5.2 裝置級的簡化 用于機電系統(tǒng)或電力系統(tǒng)分析 時延模型 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對電力