計算機仿真技術(shù)-Chapter2

其次章

電力電子仿真建?；A(chǔ)3/8/2023一、模型是仿真的基礎(chǔ)，模型與實際系統(tǒng)的相像度，確定了計算機仿真的精確度。

二、應(yīng)用仿真軟件也要深化了解建模理論。3/8/20231.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(guān)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(jié)論：一般不用于困難電路的仿真3/8/2023宏模型(Macro-Model)－依據(jù)器件外特性建模功能：足夠反映變流裝置宏觀響應(yīng)波形宏模型的簡化：簡化原則：－結(jié)果能夠反映出裝置的響應(yīng)過程－保證數(shù)值計算穩(wěn)定性－計算時間短，代價小3/8/20231.2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)變更的時刻(開關(guān)動作時刻)負(fù)荷非線性內(nèi)部狀態(tài)其它非線性元件非線性限制系統(tǒng)非線性外部限制信號3/8/2023非線性微分方程組求解

無解析解數(shù)值計算困難

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3/8/20231.3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(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)定大功率電機調(diào)整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3/8/2023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陣的最大特征值確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3/8/2023周期性變更的影響：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)約時間電力電子裝置周期性開關(guān)過程快慢過程交替變更步長選擇上花費大量時間3/8/20232.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電路簡化電氣工程背景學(xué)問3/8/20232.1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(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沖突逐個擊破3/8/2023三個探討對象：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：能夠獨立完成某種特定功能的機構(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3/8/2023仿真目的器件仿真：探討器件開關(guān)轉(zhuǎn)換時刻的電路波形，考察其承受的電壓、電流強度，選擇器件及緩沖電路。裝置、系統(tǒng)仿真：作為一個整體的響應(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)動靜態(tài)特性。高層次模型并非低層次模型的簡潔組合，而是對其進(jìn)行合理簡化后的機理性模型。抽取與仿真目的有關(guān)的特征關(guān)系，忽視其它的非特征信息。3/8/2023低層次建模

模型：建立器件的精確、具體的物理模型簡化：－外圍電路可以簡化－選擇典型運行點進(jìn)行探討－仿真時間可縮短3/8/2023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：－志向開關(guān)模型－開關(guān)周期平均模型－電源周期平均模型3/8/20233.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算機仿真程序設(shè)計3/8/2023

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。依據(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。工藝模型：考慮工藝參數(shù)，應(yīng)用統(tǒng)計方法建模，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)可由外部試驗測量。廣泛用于電路設(shè)計。3/8/2023

仿真軟件中的三種電學(xué)模型基本模型：依據(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(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：依據(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。3/8/2023

ORCAD/PSpice中器件模型舉例二極管模型3/8/20233/8/2023

IGBT模型3/8/2023

IGBT模型3/8/2023ORCAD/PSpice、SABER等軟件供應(yīng)了具體的器件模型，可用于器件級仿真。MATLAB軟件雖然也可用m語言建立器件的具體模型，但一般不用于器件級仿真。3/8/20234裝置仿真建模電力電子電路的本質(zhì)特性－開關(guān)特性器件綜合模型志向開關(guān)模型忽視器件內(nèi)部過程對裝置性能的影響開關(guān)確定電路不同拓?fù)洳煌柚惦娮璐骈_關(guān)器件瞬時完成開關(guān)動作3/8/2023志向開關(guān)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?fù)渚鶠榫€性時不變電路，仿真過程體現(xiàn)為對這一系列線性拓?fù)浒磿r間序列進(jìn)行計算。一個開關(guān)狀態(tài)中電容電壓、電感電流的終值，將成為下一個開關(guān)狀態(tài)中的初值。開關(guān)動作的時刻由外部與內(nèi)部兩種因素確定，后者是難點。3/8/2023例：Boost電路

3/8/20233/8/2023志向開關(guān)1

N個開關(guān)對應(yīng)2N個拓?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3/8/2023志向開關(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)軟件運用兩阻值間的連續(xù)過渡區(qū)3/8/20235系統(tǒng)仿真建?！跋到y(tǒng)”的含義限制“系統(tǒng)”電力電子電路(主電路)+限制回路(算法)探討在反饋限制作用下，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3/8/2023系統(tǒng)級仿真的簡化方法5.1器件級的簡化(志向開關(guān)基礎(chǔ)上的簡化)主要用于電力電子電路的限制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真開關(guān)函數(shù)法(以三相電壓型變流器為例)3/8/2023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)變流器處于第一個拓?fù)錀l件下時，當(dāng)變流器處于其次個拓?fù)錀l件下時，其中Ts為開關(guān)周期，d為占空比3/8/2023狀態(tài)平均方程例：Boost電路3/8/2023Boost電路狀態(tài)平均方程進(jìn)一步簡化

小信號模型3/8/20235.2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(晶閘管限制電抗器)可用等效電納表示，來探討SVC對電力系統(tǒng)的補