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第二章电力电子仿真建模基础 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 ORCAD PSpice中器件模型举例二极管模型 28 03 2020 28 03 2020 IGBT模型 28 03 2020 IGBT模型 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 例 Boost电路 28 03 2020 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 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 28 03 2020 状态平均方程 例 Boost电路 28 03 2020 Boost电路状态平均方程 进一步简化小信号模型 28 03 2020 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