电力电子系统计算机辅助设计课件

第八章

电力电子系统计算机辅助设计

主要内容:8.1动态系统的计算机仿真8.2电力电子系统的建模方法8.3电力电子仿真软件8.4电力电子仿真实例

8.1动态系统的计算机仿真8.1.1系统与模型8.1.2计算机仿真

系统对于任何系统的研究都必须从如下三个方面考虑：(1)实体：组成系统的元素、对象。(2)属性：实体的特征。(3)活动：系统由一个状态到另一个状态的变化过程。组成系统的实体之间相互作用而引起的实体属性的变化，通常用状态变量来描述。研究系统主要研究系统的动态变化。除了研究系统的实体属性活动外，还需要研究影响系统活动的外部条件，这些外部条件称之为环境。8.1.1系统与模型系统模型系统模型是对实际系统的一种抽象，是对系统本质(或是系统的某种特性)的一种描述。1.实体模型实体模型又称为物理效应模型，是根据系统之间的相似性而建立起来的物理模型。实体模型最常见的是比例模型，如风洞吹风实验常用的翼型模型或建筑模型。2.数学模型数学模型包括原始系统数学模型和仿真系统数学模型。仿真系统数学模型是一种适合在计算机上演算的模型，主要是指根据计算机的运算特点、仿真方式、计算方法、精度要求将原始系统数学模型转换为计算机程序。8.1.1系统与模型数学模型可以分为许多类型。按照状态变化可分为动态模型和静态模型。按照输入和输出的关系可分为确定性模型和随机性模型。离散系统是指系统的操作和状态变化仅在离散时刻产生的系统，如交通系统、电话系统、通信网络系统等等，常常用各种概率模型来描述。连续系统模型还可分为集中参数的和分布参数的，线性的和非线性的，时变的和时不变的，时域的和频域的，连续时间的和离散时间的等等。表1.1列出了各种类型的数学模型及其数学描述。8.1.1系统与模型表1.1数学模型分类

模型类型静态系统模型动态系统模型连续系统模型离散系统模型集中参数分布参数离散时间数学描述代数方程微分方程状态方程传递函数偏微分方程差分方程离散状态方程概率分布排队论8.1.1系统与模型仿真的概念

仿真是以相似性原理、控制论、信息技术及相关领域的有关知识为基础，以计算机和各种专用物理设备为工具，借助系统模型对真实系统进行试验研究的一门综合性技术。8.1.2计算机仿真仿真分类按照实现方式的不同可以将系统仿真分为如下几类：(1)实物仿真：又称物理仿真。优点是直观形象，至今仍然广泛应用。但是为系统构造一套物理模型，将是一件非常复杂的事情，投资巨大，周期长，且很难改变参数，灵活性差。(2)数学仿真：数学仿真把研究对象的结构特征或者输入输出关系抽象为一种数学描述(微分方程、状态方程，可分为解析模型、统计模型)来研究。

8.1.2计算机仿真计算机仿真计算机仿真是在研究系统过程中根据相似原理，利用计算机来逼真模拟研究对象。研究对象可以是实际的系统，也可以是设想中的系统。归纳起来，仿真技术的主要用途有如下几点：

(1)优化系统设计。在实际系统建立以前，通过改变仿真模型结构和调整系统参数来优化系统设计。如控制系统、数字信号处理系统的设计经常要靠仿真来优化系统性能。(2)系统故障再现，发现故障原因。实际系统故障的再现必然会带来某种危害性，这样做是不安全的和不经济的，利用仿真来再现系统故障则是安全的和经济的。(3)验证系统设计的正确性。(4)对系统或其子系统进行性能评价和分析。多为物理仿真，如飞机的疲劳试验。(6)为管理决策和技术决策提供支持。

8.1.2计算机仿真仿真算法和仿真软件仿真算法在建立系统的数学模型后，需要将其转变成能够在计算机上运行的仿真模型。由于计算机只能进行离散的数值计算，因而必须推导出连续系统的递推数学公式，如解微分方程的龙格库塔算法。这实际上属于数值计算的内容，其发展已经相当完善了。其实这就是计算机仿真算法的设计，即把数学模型转化为能在计算机上运行的仿真模型。一般来说，系统仿真算法有如下几类：(1)集中参数系统仿真算法。(2)分布参数系统仿真算法。(3)离散时间系统仿真算法。8.1.2计算机仿真仿真软件

仿真软件是一类面向仿真用途的专用软件，它可能是面向通用的仿真，也可能是面向某个领域的仿真。它的功能可以概括为以下几点：(1)为仿真提供算法支持。(2)模型描述，用来建立计算机仿真模型。(3)仿真实验的执行和控制。(4)仿真数据的显示、记录和分析。(5)对模型、实验数据、文档资料和其它仿真信息的存储、检索和管理(即用于仿真数据信息管理的数据库系统)。8.1.2计算机仿真计算机仿真的一般过程计算机仿真的一般过程如图1.1所示，可以表述如下：(1)描述仿真问题，明确仿真目的。(2)项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确定相应的仿真结构(实时仿真还是非实时仿真，纯数学仿真还是半物理仿真等)，规定相应仿真系统的边界条件与约束条件。(3)数学建模：根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数。注意要确保模型的有效性和经济性。(4)仿真建模：根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或其它仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也即获得系统的仿真模型。(5)试验：设定实验环境/条件和记录数据，进行实验，并记录数据。(6)仿真结果分析：根据实验要求和仿真目的对实验结果进行分析处理(整理及文档化)。

8.1.2计算机仿真图1.1计算机仿真流程图8.1.2计算机仿真主要内容:8.2.1电力电子电路小信号建模与分析8.2.2电力电子电路大信号建模8.2电力电子系统的建模方法所谓建模，就是把现实中的物理现象用数学方法来表示。在工程上，往往希望对占系统主导的行为进行建模，而忽略其次要的现象，对系统进行简化，从而帮助工程人员更好地设计电力电子系统，使其工作在目标状态。而根据对系统模型忽略程度的不同，电力电子电路模型大致可以分为小信号等效电路模型、大信号等效电路模型以及基于现代控制理论的模型。8.2.1电力电子电路小信号建模与分析

电力电子电路小信号建模分析法是目前比较普遍使用的建模方法，它的基本原理是忽略开关频率纹波，即忽略开关频率分量和开关频率谐波分量及其边频分量，建立占空比、输入电压的低频变化对变换器中的电压、电流影响的小信号线性化模型。8.2.1电力电子电路小信号建模与分析

状态空间平均法1976年美国加里福尼亚理工学院R.D.Middlebrook和SlobodanCuk在前人的基础上提出状态空间平均法，较好地解决了PWM型DC-DC变换器的稳态和动态低频小信号的分析问题。状态空间平均法的一个核心思想是把系统各个状态的模型按稳态运行时所占的占空比进行加权平均，同时运用摄动的方法去除系统的直流分量，提取系统的小信号扰动，并且忽略系统高阶扰动的影响，从而对电力电子电路建立了一个统一的模型，并使其可以运用经典控制理论的方法为电路设计补偿控制器。8.2.1电力电子电路小信号建模与分析平均值等效电路法除状态空间平均法之外，关于电力电子小信号建模还有另一类精度与其相同的方法，称为平均值等效电路法，例如有电流注入等效电路法、等效受控源电路法、三端开关器件法等等。1.电流注入等效电路法：把注入到电路的线性部分的电流作为与电感电流及开关导通比有关的电流源看待，并把他们作为输出等效电路；而把加到另一线性部分电压作为与电源或输出电压或它们的组合以及开关导通比有关的电压源看待，并把它们作为输入等效电路。8.2.1电力电子电路小信号建模与分析2.等效受控源电路法：把变换器中的晶体管作为具有上述特点的受控电流源或电压源，同时把二极管作为受控电压源或电流源看待，电路其他部分不变。3.三端开关器件法：把变换器中晶体管(有源器件)和二极管(无源器件)作为一个整体，形成所谓的三端开关器件(亦即还原为单刀双掷开关)。如图2.1所示。有源与无源器件的公共端与电感的一端相连、把有源器件端的电流平均值看作电感电流平均值与开关占空比的函数，把公共端对无源端的电压平均值看成是有源端对无源端电压平均值的函数，并用这样的端钮伏安关系表示该三端器件，而电路中其他部分不变，这样所得到的模型称为三端开关器件电路模型。图2.1三端开关器件电路模型状态空间平均法和几种平均值等效电路法的比较如表2.1所示：表2.1几种连续建模法特点的比较由状态空间平均法及小信号线性化的假设，可得到开关变换器的小信号等效电路统一模型，在频域内描述，其物理意义清晰，且可应用经典控制理论分析或设计控制电路。但小信号模型无法解释大信号扰动下开关稳压电源系统中出现的某些物理现象。按小信号模型设计的稳定系统，在大信号扰动下也可能不稳定。因此，提出了大信号建模法。8.2.2电力电子电路大信号建模如图2.2所示曲线ABCD为函数f(x)的轨迹，取(x0,f(x0)

)为系统其中一个解，直线A‘B’C‘D’为f(x)在点x0的切线，它相当于用状态空间平均法建立的模型。从图中可以发现，当系统状态只在平衡点Xo附近小范围运动时模型与真值之间的误差较小，这时平均小信号模型是有效的。然而当系统状态偏离平衡点x0较远时，相当于大信号扰动情况，这时小信号模与真实系统误差较大，己经无法正确反映系统的情况。图2.2小信号建模失效原理大信号等效电路统一模型图2.3开关变换器平均电路等效模型图2.4开关变换器大信号等效电路统一模型主要内容:8.3.1电力电子仿真软件介绍8.3.2常用仿真软件的特点比较8.3电力电子仿真软件电力电子学科近年发展形成了能源电子学科。所谓能源电子学科，除电力电子学科内容外，还应考虑材料、环境、可靠性、管理等方面的问题。才能解决好能源转换问题。由此可见，如此复杂的系统工程，只有充分利用计算机处理综合信息才能迅速得到成效。仿真的必要性、有效性可见一斑。电路与系统的计算机仿真在电力电子技术的应用研究和产品开发中占有重要的地位,它可以加深工程师对电路与系统工作原理的理解,加速电路的设计和理论的完善,它能帮助生产企业提高自身开发的水平,改善产品性能并能有效地缩短产品更新换代的周期。8.3.1电力电子仿真软件介绍PSpice仿真软件PSpice是由美国Microsim公司在Spice2G版本的基础上升级并用于PC机上的Spice版本，其中采用自由格式语言的5.0版本自20世纪80年代以来在我国得到广泛应用，并从6.0版本开始引入图形界面。现在使用较多的是PSpice8.0，工作于Windows环境，整个软件由原理图编辑器、电路仿真、激励编辑、元件库编辑、波形图等几个方面组成。8.3.1电力电子仿真软件介绍与传统Spice软件相比，Pspice在三个方面实现了重大的功能变革：1.在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；2.不但能够对模拟电路进行仿真，而且能够对数字电路、数模混合电路进行仿真；3.集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。8.3.1电力电子仿真软件介绍Saber仿真软件Saber是美国Analogy公司开发，现由Synopsys公司经营的系统仿真软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，也是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，这也是Saber最大的特点。Saber作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。8.3.1电力电子仿真软件介绍PowerSystemBlocksets

目前，大型科学计算与仿真软件Matlab已经配备了电力系统工具包（PowerSystemblockset），这使得Matlab可以用于电力电子仿真。PowerSystem的仿真是基于Matlab的Simulink图形环境，因而使用起来与PSpice一样方便。Simulink

全称是DynamicSystemSimulationSoftware,即系统仿真工具箱。它是Matlab软件包中最重要的功能模块之一，是交互式、模块化的建模和仿真的动态分析系统。在电力电子领域，通常利用Simulink建立电力电子装置的简化模型（如基频模型）并连接成系统，即可直接进行控制其的设计和仿真。Simulink对C语言代码提供了很好的支持，而且既可以工作在交互式图形环境下，也可以工作在Matlab指令语言模式的批处理模式下。8.3.1电力电子仿真软件介绍其他仿真软件应用比较普遍并曾对开关工作电路与系统仿真产生影响的软件主要有如下几种：美国加州大学创建的原始电路模拟软件CANCER；电子线路分析软件ECAP；电力系统瞬态分析工具EMTP；功率变换器和电气传动工具ATP；电力电子闭环系统分析工具PENCAN；电力电子电路仿真工具PSIM。8.3.1电力电子仿真软件介绍另外，EWB（电子工作室）软件也是学习电力电子知识时较受欢迎的软件。因为它提供了模拟和数字电路的虚拟实验环境，有和真实实验时一致的可视化界面，含有许多电子元器件模型，也允许自行扩充器件库，甚至输出量与流行的PCB设计软件（如Protel、CAD等）连起来，可以布线制板，因此这种软件在高等学校实验教学中应用较普遍。当前为电源界实际应用的软件还有：ICAP软件，它是由Spice发展形成的一种电路分析软件，在Windows下可以以电路或图形的方式输入，自然转成仿真所需信息进行仿真。SIMNON软件，它是命令驱动的交互式程序，可以对微分方程、结构图模型以及数字系统进行仿真分析，这时电力电子器件一般按理想开关进行系统仿真。8.3.1电力电子仿真软件介绍Pspice的优点：Pspice

的元件模型的特性与实际元件的特性十分相似,因而它的仿真波形与实验电路的测试结果相近,对电路设计有重要指导意义。Pspice的缺点：仿真数据处理量庞大,仿真和处理速度慢,输出数据格式和兼容性差。8.3.1电力电子仿真软件介绍Saber的优点：Saber是一种功能更为强大的电子和电力仿真软件,它可以仿真电力电子元件、电路和系统;不仅具有Pspice

的功能,还能结合数学控制方程模块实现仿真。Saber的缺点：数据处理量也相当庞大,仿真的处理速度慢。软件价格高,使用时烦琐复杂,不利于推广应用,较适合于大企业应用。PowerSystemBlocksets

的优点：支持线性和非线性系统、连续时间系统、离散时间系统和连续与离散混合系统,可以根据用户的需要方便地为系统建立模型,十分直观,仿真精度高,结果准确。PowerSystemBlocksets

的缺点：它和其他高级程序相比，程序的执行速度较慢。由于MATLAB的程序不用编译等预处理，也不生成可执行文件，程序为解释执行，所以速度较慢。

8.4电力电子仿真实例主要内容:8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模8.4.2级联型中高压变频器控制方法的仿真逆变电源并联系统的仿真模型由主电路仿真模型和并联控制策略仿真模型两部分组成。利用MATLAB/Simulink中的元件模型以及函数模块可以分别对并联系统的主电路开关模型和控制算法进行实现，而后再通过控制参数将主电路仿真模型和控制策略仿真模型连接起来，得到逆变电源并联系统的应用仿真模型。8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模逆变单元模块的仿真建模如图4.1所示，系统中各并联逆变单元的主电路均采用电压型全桥逆变主电路，图中Vdc为系统直流输入电压，T1－T4为功率开关器件IGBT模块，L和C为系统输出滤波电感和电容，r为滤波电感的等效串联电阻，R是系统的负载。图4.1逆变单元的主电路拓扑8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模图4.2逆变单元主电路仿真模型系统的脉宽调制发生功能由Impulsegenerator模块完成，它具有系统SPWM控制以及死区设置和补偿功能SineWave表示逆变电源闭环控制模型输出的正弦波调制信号，由系统的闭环控制策略所决定currentdetect为电流检测模块，用于检测输出电感电流，实现死区补偿功能。8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模忽略输出滤波器电感L、电容C的等效串联电阻，系统瞬时双闭环控制框图如图4.3所示，其中电流内环采用比例调节，电压外环则采用带有前馈校正的复合控制结构。输出的信号与电压指令前馈信号相加即为SPWM控制器的输入信号，用以控制SPWM驱动脉冲的产生。

图4.3逆变电源瞬时双闭环控制结构框图8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模为了便于控制系统的设计与分析，图4.3经等效变换可得如图4.4所示的逆变电源瞬时双闭环控制等效图。

图4.4逆变电源瞬时双闭环控制等效图8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模在Simulink的控制系统工具箱中有专门用于传递函数描述的仿真模块，利用这些仿真模块及控制等效图就可以构成逆变电压的瞬时双环控制仿真模型，如图4.5所示。图4.5逆变电源瞬时双闭环控制仿真模型8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模pulseGenerator和Samplehold模块分别用来模拟系统对于连续信号的采样频率以及对连续信号的采样保持功能，通过这个环节，系统就可以将连续信号转化为系统控制所需的离散信号，真实地再现控制过程中的采样保持环节;Sine_input和Out1分别代表调节器的正弦输入指令以及调节输出;kf、kpv、ki和kpc依次代表电压调节器的前馈系数、比例系数、积分系数和电流调节器的比例系数；Limit1和Limit2分别表示电压外环和电流内环输出限幅环节。

8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模逆变器并联控制算法的仿真图4.6所示为各并联逆变单元的输出功率计算仿真模型。其中frequency_detect是频率检测仿真工具，Variable_delay1表示计算无功功率时输出电压滞后1/4输出周期，而Variable_delay2则完成有功功率和无功功率在一个输出周期内的积分功能。

图4.6逆变单元的输出功率计算仿真模型8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模1、利用Simulink中的函数模块即可实现传统下垂法控制指令电压合成模型如图4.7所示：图4.7传统下垂法控制指令电压合成模型8.4.1逆变电源并联系统的仿真建模2、利用Simulink中的函数模块可实现虚拟阻抗自校正控制控制指令电压合成模型如图4.8所示：图4.8虚拟阻抗自校正控制控制指令电压合成模型依据前述主电路仿真模型及控制策略的仿真模型，通过控制参数的连接可将逆变电源的