现代电力电子技术(仿真) 3_1.ppt

第3章电力电子电路与系统的建模与仿真、电路与系统的建模与仿真概念电路的计算机仿真需要解决的基本问题是电路方程式与仿真模型的确立求解电路方程式的算法。 此外，可视化电路的输入、仿真结果的分析和处理、波形分析等问题也是计算机仿真需要好好解决的重要问题。 3.1概述，常用电路系统的仿真方法是小信号分析离散时域仿真方法等效电路法Laplace变换法周期时间序列分析，1 .小信号分析，小信号分析通过建立某一工作点附近的近似小信号线性模型，该工作点由变换器参数、输入电压和负载决定。 以这种方式，能够用线性系统分析方法设计开关转换器的调节控制电路。 然而，由于当输入电压或负载改变时操作点发生改变，因此分析方法受到限制。 在变换器的自然频率远小于开关频率的一半时，可接受此方法的误差。 开关电源的小信号分析是分析电源转换器动态性能的有力工具，也是系统动态设计的依据。 由于其显着优点是物理概念清晰，可以用bode(bode )图设计校准环节，因此该方法在电力电子系统的分析、仿真和设计方面受到普遍重视。 2 .离散时域仿真方法、电力电子系统是强非线性动态系统，正确地找到其解析解是非常困难的。 为此，1979年美国弗吉尼亚电力电子技术中心(VPEC )的李泽元教授首先提出了开关DC-DC变换器的离散时域仿真方法。 八十年代后期，清华大学蔡宣三教授对此方法进行了深入研究。 离散时域仿真方法是研究拓扑变化和组件参数变化对系统瞬态特性影响的有力工具。 离散时域仿真方法的基本思路是利用状态空间法列举非线性系统的阶段性线性方程式，找出状态迁移规律，得到非线性差分方程式，用计算机求解。 通过使用此方法，可以相对准确地数字分析电力电子系统，例如开关电源。 3 .在等效电路法、开关转换器中，开关元件的作用是使某一电路以一定的占空比导通或关断，因此这些元件的电压和电流的平均值总是与电路中的其他分支电路的电流或电压的平均值有关。 因此，可以用与占空比相关联的控制源近似地替换这些元件。 等效电路方法应用一个载波周期内的平均值概念来将开关转换器转换为包含控制源的线性电路，并以求解线性电路的方式进行开关转换器的稳态和最小信号分析。 例如，所示的三端双向可控硅开关元件电路可以用所示的控制源模型来替换。 三端开关电路及其控制源模型、4.Laplace变换法、Laplace变换法首先写出网络的频域方程式，得到求出电压和电流的频域方程式，进行Laplace逆变换，得到网络解的时域方程式。 当使用Laplace变换技术来模拟开关变换器时，编写系统的频域方程是非常困难的。 考虑到开关装置的特性，一般用时域的频域混合方程来描述功率转换器。 在处理开关元件时，若导入开关函数，则上图所示理想的开关元件模拟上图的开关电路，从图中写入下式，图中的三端双向可控硅开关元件的相位I为晶体管t导通，二极管d不导通，相位II为晶体管例1-1是BUCK变换器，试图Laplace变换法写出网络的频域方程式，得到网络解的时域方式。 BUCK变换器，解：首先写时域混合方程，这5个方程中，第一和第二方程是考虑晶体管t是理想开关的时域方程，第三和第五方程是频域方程，第四方程的时域和频域方程形式类似。为了区别，方程的频域量包括s。 求解时可以整体求解，也可以分阶段求解。 逐步求解，阶段I、阶段II、阶段III、5 .周期时序分析、周期时序分析模拟方法为稳态模拟方法。 该方法可以得到逆变器在一个开关周期中的稳态响应波形，从而进行稳态特性的研究和谐波分析。 开关变换器根据开关的接通和断开，在不同的定时变换器的各处的电流电压关系完全不同，因此不能用1个解析式来记述。 但是，因为在各个时刻电流电压的关系已经决定，所以如果用周期时间序列来表现电流和电压的量的话，为了表现逆变器的特性，可以得到固定的行列式。 周期时间序列分析仿真方法单独处理随时间变化的有源电路部分，非时变无源网络单独处理，可以容易地得到其矩阵方程式。 其方法如下：对于一个m侧非时变无源网络，正弦稳态方程的一般形式如下：式中的I，m为节点编号； k是高次谐波的次数Uik是第I个节点电位的第k个高次谐波电压相位量，k=0时作为直流分量的ZImk是第I个节点与第m个节点之间的阻抗，imk是流过第m个节点的电流。 同时，将Ui表现为傅立叶级数时，如、(1)、(2)、(3)那样，可知上述式包含直流分量以及在开关时为有源的电路接口的电流作用分量，并且频域的时域变换已完成。 进行计算机模拟分析时，计算机能够处理的是离散量，因此为了满足计算机模拟的需要，必须将上式离散化。 因此，如果按每个基波周期对端口电流进行p次采样，用()表示采样值，则上式中的直流分量的时域的离散值， 式(4)中第2项表示开关时与有源电路接口的电流，该分量在时域离散后为：式中，p为1周期的离散点数，n为高次谐波的次数m，电压或电流的个数uia表示第I个电压量的第a个离散值，imb为第m个电流量的第b个如此，uia可写为、或，上述方程式可写为、时变线性无源网络的稳态时间周期时序模型，其数据存储量惊人。 对于一个m侧的非时变线性无源网络，一个周期的离散点数为p，数据存储量为M2P2。 事实上，该矩阵具有良好的性质，对角元素相等，可写为：对于一个m侧的非时变线性无源网络，一个周期的离散点数为p，数据存储量为M2(2P )，其数据存储量大幅减少。 3.2公共电路的建模与仿真方法，1 .网络分析的基本概念和基本规律，任何集中参数网络都遵循三个基本规律：基尔霍夫电压规律(KVL )、基尔霍夫电流规律(KCL )和元件规律(旁路特性)。 KVL和KCL是网络中各旁路电压、电流的制约。 元件定律通常是指元件的电压-电流特性。 可以根据三个基本法则建立求解网络的方程。 网络拓扑分析在理论上已经十分成熟，电路的计算机仿真程序是在此基础上建立起来的。 为了便于计算机的存储和加工，通常在矩阵中描述网络拓扑图，常用的是相关矩阵、环矩阵和剪辑矩阵。 另外，改进了2节点法，节点分析法在处理独立的电压源和控制的电压源时，由于旁路的导入无限大，不能直接导出旁路导入矩阵Yb，所以现在采用了所谓的“改进节点法”和混合节点法。 改进节点分析法基于节点分析法，保持原始未知量的节点电压，增加独立电压源和控制电压源旁路的电流作为电路的另一未知量。 利用改良节点分析法的一个方便点是，求出某个分支路径中流过的电流，在该分支路径上串联连接零值的独立电压源即可。也就是说，零值的独立电压源具有电流计的功能。 该方法最广泛应用于目前电路的计算机辅助分析，PSpice采用改进节点分析法。 改进节点分析法最终列举的方程有形式： WX=K，其中w为系数矩阵，k为右端向量，x为未知向量。 阻塞旁路电流方程式，式中的下标表示电路器件： y表示导纳元件j，电流源e，电压源VC，电压控制电流源VCCS； CC是电流控制电流源CCCS； EC是电压源旁路电流控制电流源IECCS VV是电压控制电压源VCVS； CV是电流控制电压源CCVS； EV是电压源旁路电流控制的电压源IECVS。 以下图为例，写一列方程式，根据基尔霍夫电流定律对各节点的电流平衡方程式，方程式的未知变量除了5个节点电位v1v5之外，还有iE1、iE2，共计7个未知变量，因此，必须根据电压源的分支特性，追加2个分支电压方程式： 综合一个方程式，将各分支电阻以电导率表示为矩阵形式：vn为电路各节点(参考节点除外)的电位矢量，iE为电压源旁路电流矢量，I为独立电流源的电流矢量，e为独立电压源的电压矢量。 系数矩阵a可以写入分量块格式，并且Yn可以被称为节点导入矩阵。 为了使得计算机更容易自动地形成a和b，下面详细地讨论每个电路元件的参数对a和b的贡献。 另一方面，如果连接有若干电阻器，则在矩阵Yn中，与该节点关联的元件的值是每个电阻器分别贡献给这些元件的值的代数和。 可以看出，Yn处的每个对角元素的值是连接至对应节点的每个电阻值的倒数(电导)之和，并且非对角元素的值是对应两个节点之间电阻值的倒数的负值。 (1)电阻器r连接在节点1和3之间。电阻器R1有助于四个元素： a1、a13、a31和a33，因为电阻器R1的电流是节点3的电流对于r有助于矩阵a，(2)独立电压源参考的例子包括电压方程v2-v5=E2，并且类似地，可以推断出与任何节点e连接的(3)独立电流源以与上述相同的方式仅有助于在b中与其连接的节点对应的行的元件。 (4)电压控制电流源VCCS的例子中的VCCS对节点e和f的电流贡献分别为G(vj-vk )和-G(vj-vk )，因此，对Yn的对应要素的贡献如下。 (5)电压控制电压源VCVS如下图所示，如果Eef是控制源，则受到(vj-vk )的控制，即与独立电压源相同，需要追加未知的变量iE。 因此，矩阵必须相应地增加方程式，即上式。 同时，应该增加iE对对应于节点e和f的节点方程的贡献。 因此，上述电压控制电压源对a和b的贡献如下。 (6)电流控制电流源CCCS设置有旁路电路e，f是控制电流源。 通过旁路电路j和k的电流ijk控制电流，并且控制系数为。 在一般阻抗分支电路中，ijk不包含在式(3-25 )的未知变量中，为了方便起见并不一般，因此可以向分支电路j、k插入电位为零的独立电压源e，这不会影响原来的电路的特性或和解。 但是，当追加零值电压源e时，ijk作为流过e的电流成