第二章 电力电子仿真建模基础,2019/5/13,一、模型是仿真的基础，模型与实际系统的相似度，决定了计算机仿真的准确度。 二、应用仿真软件也要深入了解建模理论。,2019/5/13,1. 仿真建模的难点： 1.1器件模型的适用性,微模型(Micro-Model)器件的微观物理模型,功能：精确描述开关转换时刻的电路波形 用于电力电子系统仿真的问题： 仿真效率低 精度受杂散参数影响 结论： 一般不用于复杂电路的仿真,2019/5/13,宏模型(Macro-Model) 根据器件外特性建模,功能：足够反映变流装置宏观响应波形 宏模型的简化： 简化原则： 结果能够反映出装置的响应过程 保证数值计算稳定性 计算时间短，代价小,2019/5/13,1.2 电力电子电路的非线性,开关非线性电力电子装置的本质特征,结构变化的时刻 (开关动作时刻),负荷非线性,内部状态,其它非线性,元件非线性,控制系统非线性,外部控制信号,2019/5/13,非线性微分方程组求解,无解析解 数值计算复杂,非线性 微分方程组,非线性 代数方程组,线性 代数方程组,结果,数值积分,牛顿拉夫逊法,消去法,2019/5/13,1.3 装置模型的刚性(病态),电力电子装置(系统)运行中包含各频率段的过程 电磁过程与机电过程,频率范围1,频率范围2,电磁现象,机电现象,行波过程 器件开关过程,暂态过程 开关过电压,短路过程 次同步振荡,暂态稳定,大功率电机 调节过程,谐波,过程 时间,计算 步长,装置内部各部分时间常数相差若干数量级,2019/5/13,刚性(病态)系统: 定义：快、慢过程混合,时间常数相差巨大的系统,步长：由Jacobi阵的最大特征值决定,快过程,慢过程,小步长,大步长,计算时间长,计算误差大,变步长 积分法,2019/5/13,周期性变化的影响：,变步长法的优点： 快过程期间用小步长以保证精度 快过程衰减后用大步长以节省时间,电力电子装置 周期性开关过程,快慢过程 交替变化,步长选择上 花费大量时间,2019/5/13,2. 仿真建模方法,解决途径,数值 计算 方法,建模 方法,器件 模型 简化,电路 简化,电气工程背景知识,2019/5/13,2.1 多层次建模方法,1. 分析问题的性质与目的 2. 将建模的目的分散到各个层次上 3. 在不同层次上利用不同的软硬件工具与技术建立不同的数学模型,低层次建模 高层次建模,抓主要矛盾,逐个 击破,2019/5/13,三个研究对象： 器件：构成电路的具体元器件，主要指各种电力电子器件。 装置：能够独立完成某种特定功能的机构，主要指电力电子电路。 系统：由若干电路及相互作用的其它单元组成的集合体。,2.2 器件、装置与系统建模,2019/5/13,仿真目的 器件仿真：研究器件开关转换时刻的电路波形，考察其承受的电压、电流强度，选择器件及缓冲电路。 装置、系统仿真：作为一个整体的响应过程，基本组成部分之间的相互关系和自身的开环、闭环动静态特性。 高层次模型并非低层次模型的简单组合，而是对其进行合理简化后的机理性模型。抽取与仿真目的有关的特征关系，忽略其它的非特征信息。,2019/5/13,低层次建模 模型：建立器件的精确、详细的物理模型 简化： 外围电路可以简化 选择典型运行点进行研究 仿真时间可缩短,2019/5/13,高层次建模 模型：仅需反映系统功能的某些主要特性 简化： 理想开关模型 开关周期平均模型 电源周期平均模型,2019/5/13,3. 器件仿真建模,电阻 电感 电容,电源,电力电子 开关器件,建模,正确反映 器件的 电气性能,便于 计算机 仿真程序 设计,2019/5/13,器件模型分类 物理模型： 考虑半导体物理参数，包括原子杂质浓度、载流子寿命、载流子迁移率等。 根据描述器件电特性的基本物理原理，建立偏微分方程求解。 用于半导体器件的设计。 工艺模型： 考虑工艺参数，应用统计方法建模，用于器件制造 电学模型 考虑主要输入输出效应，即端电压和电流。 参数可由外部实验测量。 广泛用于电路设计。,2019/5/13,仿真软件中的三种电学模型 基本模型： 根据电力电子器件的简化物理规律，对Spice软件中原有的小功率器件的模型参数进行优化，引入新的特性，使模型更适于模拟大功率器件。 子电路模型： 根据器件的物理规律，建立等效电路，利用软件已有的半导体器件和无源器件模型，组成新的模型。 数学模型 对用户开放的软件中，可以利用器件物理过程中抽象出的数学方程进行编程，如Saber、Matlab等。,2019/5/13,ORCAD/PSpice中器件模型举例 二极管模型,2019/5/13,2019/5/13,IGBT模型,2019/5/13,IGBT模型,2019/5/13,ORCAD/PSpice、SABER等软件提供了详细的器件模型，可用于器件级仿真。 MATLAB软件虽然也可用m语言建立器件的详细模型，但一般不用于器件级仿真。,2019/5/13,4 装置仿真建模,电力电子电路的本质特性开关特性,器件综合模型,理想开关模型,忽略器件内部过程对装置性能的影响,开关决定 电路 不同拓扑,不同阻值 电阻 代替开关,器件瞬时完成开关动作,2019/5/13,理想开关1 非线性时变电路 分段线性时不变电路,任一时刻电力电子电路拓扑均为线性时不变电路，仿真过程体现为对这一系列线性拓扑按时间序列进行计算。 一个开关状态中电容电压、电感电流的终值，将成为下一个开关状态中的初值。 开关动作的时刻由外部与内部两种因素决定，后者是难点。,2019/5/13,例：Boost电路,2019/5/13,2019/5/13,理想开关1,N个开关对应2N个拓扑维数灾 通过分析去除无效拓扑 开关函数法 较适用于DC/DC电路,2019/5/13,理想开关2,通态小电阻、断态大电阻 状态方程不变，方程中系数变 便于分析，为大多数软件使用 两阻值间的连续过渡区,2019/5/13,5 系统仿真建模,“系统”的含义 控制“系统” 电力电子电路(主电路)+控制回路(算法) 研究在反馈控制作用下，电路的稳态、动态性能。 机电 “系统” 电力电子电路+电机 电力“系统” 含有电力电子装置的电力系统的行为分析 实际装置“系统” 弱电电路、电磁兼容、温度分析,2019/5/13,系统级仿真的简化方法 5.1 器件级的简化(理想开关基础上的简化) 主要用于电力电子电路的控制系统的设计与仿真 开关函数法(以三相电压型变流器为例),2019/5/13,状态空间平均法(以DC/DC变流器为例),假设电流连续，分段线性状态方程 当变流器处于第一个拓扑条件下时，,当变流器处于第二个拓扑条件下时，,其中Ts为开关周期，d为占空比,2019/5/13,状态平均方程,例：Boost电路,2019/5/13,Boost电路状态平均方程,进一步简化 小信号模型,2019/5/13,5.2 装置级的简化 用于机电系统或电力系统分析 时延模型 如晶闸管变流器可用延迟环节来描述 传递函数法 如变流器的小信号模型 电纳模型 如SVC中的TCR(晶闸管控制电抗器)可用等效电纳表示，来研究SVC对电力系统的补偿作用。 等效受控电源模型 如逆变器可以用可控电压源表示,2019/5/13,小结 建模是仿真的关键 根据研究目的选择建模层次 建模中对其他层次问题的合理简化 器件级仿真可用PSpice、Saber等软件 装置级仿真中多用器件的简化模型或理想开关模型 系统级仿真中需对器件和装置进行进一步简化,谢 谢！,