計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)-Chapter2PPT課件

1、2021/3/91第二章電力電子仿真建?；A(chǔ)2021/3/92 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(shí)際系統(tǒng)的相似度，決定了與實(shí)際系統(tǒng)的相似度，決定了計(jì)算機(jī)仿真的準(zhǔn)確度。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二、應(yīng)用仿真軟件也要深入了解建模理論。解建模理論。2021/3/931. 仿真建模的難點(diǎn)仿真建模的難點(diǎn)：1.1器件模型的適用性u(píng)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(shí)刻的電路波形l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l結(jié)論： 一般不用于復(fù)雜電路的仿真2021/3/94u宏模型(Macro-Model)

2、 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(jiǎn)化：l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2021/3/951.2 電力電子電路的非線性u(píng)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)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(hào)2021/3/96u非線性微分方程組求解 l無解析解l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2021/3/971.3 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

3、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)2021/3/98u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2021/3/99u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2021/3/9102. 仿真建模方法仿

4、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)2021/3/9112.1 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2021/3/912u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2021/3/913u仿真目的l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

5、受的電壓、電流強(qiáng)度，選擇器件及緩沖電路。l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。l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。 2021/3/914u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2021/3/915u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 2021/3/9163. 器件仿真建模器件仿真建模電阻電阻電感電感電

6、容電容電源電源電力電子電力電子開關(guān)器件開關(guān)器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(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)仿真程序仿真程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)2021/3/917u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(jì)。l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(shí)驗(yàn)測(cè)量。 廣泛用于電路設(shè)計(jì)。2021/3/918u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(jiǎn)化物理規(guī)律，對(duì)Spice軟件中原有的

7、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。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(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。2021/3/919uORCAD/PSpice中器件模型舉例l二極管模型2021/3/9202021/3/921lIGBT模型2021/3/922lIGBT模型2021/3/923ORCAD/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語言建立器件的詳細(xì)模型，

8、但一般不用于器件級(jí)仿真。2021/3/9244 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2021/3/925u理想開關(guān)1 非線性時(shí)變電路 分段線性時(shí)不變電路u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。u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。u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)。2021/3/926例：Boost電路 2021/3/927gCLlcCLuLuiCRRLRui0/1

9、)/(100/gCLlclcllcllcCLuLuiCRRCRRRLRRRLRRRui0/ 1)/(1)/()/(/ )/(gCLlcCLuuiCRRui00)/(10002021/3/928u理想開關(guān)1 uN個(gè)開關(guān)對(duì)應(yīng)2N個(gè)拓?fù)渚S數(shù)災(zāi)u通過分析去除無效拓?fù)鋟開關(guān)函數(shù)法u較適用于DC/DC電路2021/3/929u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)2021/3/9305 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(dòng)態(tài)性能。l機(jī)電 “系統(tǒng)”電力

10、電子電路+電機(jī)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(shí)際裝置“系統(tǒng)”弱電電路、電磁兼容、溫度分析2021/3/931u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01iS111ccbbaaSSSSSSdccdbbdaaESuESuESuccbbaadiSiSiSi2021/3/932l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)，1111111111uDxCyuBxAxskkdTttt2222222222uD

11、xCyuBxAx1kskttdTt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1)(1kkttsdttSTSd2021/3/933狀態(tài)平均方程uDDxCCyuBBxAAx1111)1 ()1 ()1 ()1 (2222ddddddddgCLlcCLuLuiCRRLRui0/1)/(100/gCLlclcllcllcCLuLuiCRRCRRRLRRRLRRRui0/1)/(1)/()/(/ )/(例：Boost電路2021/3/934Boost電路狀態(tài)平均方程gCLlclcllcllcCLuLuiCRRCRRRdLRRRdLRRdRui0/1)/(1)/()1 ()/()1 (/ )/)1 (進(jìn)一步簡(jiǎn)化 小信號(hào)模型dxdduuuxxx0002021/3/9355.2 裝置級(jí)的簡(jiǎn)化 用于機(jī)電系統(tǒng)或電力系統(tǒng)分析l時(shí)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(hào)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(duì)電力系統(tǒng)的補(bǔ)償作用。l等效受控電源模型 如逆變器可以