2011 电力电子建模与仿真复习课

PAGEPAGE52011年电力电子建模与仿真复习课概论电力电子系统覆盖着从纳秒级的电力电子器件的暂态过程、毫秒级的控制器调节过程和秒级的机电过渡过程。因此，系统的仿真模型非常复杂，通常是非线性和不连续的复杂系统。运动控制和过程控制是实际自动控制的两大部类。对于电力电子系统必须分别研究其变流器部分和系统部分。变流器部分需要采用精确的电力电子器件模型，对于系统部分则只需采用理想化的器件模型。计算机仿真分为三种类型，包括模拟仿真、数字仿真和混合仿真。电力电子系统仿真包括三个层面：系统层面、电路层面和器件层面。6、器件模型分为三种：1.简单模型2.一般模型3.精确模型7、常用电力电子仿真平台仿真分析软件：Pspice、Saber、Matlab/Simulink数学计算软件。简述模拟计算机和数字计算机在仿真中的优缺点。答案：模拟计算机的进行仿真时，优点：①解算结果和真实电力电子系统在测试设备上观察到的情况几乎完全相同。②人机联系极为方便。此外还可以考虑各种非线性因素的影响。③采用并行计算方式。缺点：①计算精度不高。②信息的存贮和逻辑判断功能差。数字计算机的进行仿真时，优点：①运算精度高。②逻辑运算功能强。缺点：①非并行计算方式，实时仿真性能差。电力电子系统的计算机仿真方法1、描述连续系统的数学模型大体上分为三种方式：微分方程，传递函数以及状态方程。在相同步长情况下，算法阶次越高，截断误差越小。在相同算法的情况下，步长越大，截断误差越大。步长越大，计算次数越少，由舍入误差所造成的误差就越小。步长越小，计算次数增加，由舍入误差所造成的误差就越大。模拟仿真方法中，通常要用到幅度比例尺和时间比例尺。两种比例尺的引入是模拟计算机仿真有别于数字计算机仿真的独特之处。1、欧拉法、四阶龙格—库塔法、阿达姆斯预估—校正法的计算精度、计算速度的比较。欧拉法、四阶龙格—库塔法、阿达姆斯预估—校正法、丢斯丁数值计算法中，欧拉法的精度最低、四阶龙格—库塔法和阿达姆斯预估—校正法精度最高；四阶龙格—库塔法计算速度最慢，欧拉法计算速度最快。欧拉法能自起动，阿达姆斯预估—校正法不能自起动。数值计算中，产生截断误差和舍入误差的原因是什么？他们与步长的关系是怎样的？并画出误差与步长的关系曲线。答案：截断误差是由于各种数值积分是采用近似逼近的方法将微分方程转化为差分方程，故存在截断误差。在相同步长情况下，算法阶次越高，截断误差越小。在相同算法的情况下，步长越大，截断误差越大。舍入误差是由于计算机字长有限，无法完整存储数值而产生的。步长越大，计算次数越少，由舍入误差所造成的误差就越小。步长越小，计算次数增加，由舍入误差所造成的误差就越大。仿真步长怎样选择？答案：关于步长的选择，一种方法是选择系统微分方程中最小时间常数的1/10作为步长；或在被仿真系统中取时间常数最小的闭环。若其开环频率特性剪切颇率为，则步长T＝1/／(5—10)。或者步长取为系统时间响应的上升时间的1/10；也有把步长选取为系统整个过渡过程的1/40。还有一种办法是依据过渡过程各段变比的快慢来选择不同的步长。一般过渡过程开始阶段都变化较快，这时步长选小些；而当接近稳定阶段过渡过程变化慢。这时为了节省计算时间，步长可选得大些。请写出欧拉法、四阶龙格—库塔法、阿达姆斯预估—校正法的计算公式。答案：欧拉法：，以作为初值。四阶龙格—库塔法：式中，阿达姆斯预估—校正法：阿达姆斯显式公式：阿达姆斯隐式公式：微分方程法和传递函数法构成模拟结构图的优缺点各是什么？答：上面两种方法的本质是一样的，由于具体的处理方法有所不同，因而各有优缺点。采用传递函数法构成模拟结构图时。所用的运算放大器及其他运算部件的数目较少，运算电路也较简单，与典型传递函数环节一一对应，直观性强。但运算电路各元件的参数与传递函数中的时间常数、放大倍数间关系待定，不易在模拟计算机中获得，这种构成模拟结构图的方法适合系统参数变化较少的情况。采用微分方程法构成模拟结构图时，模拟电路所使用的运算部件在模拟计算机中都能找到。微分方程中的系数值是由系数器来设置的。因此，改变方程的参数方便。缺点是构成的模拟结构图比较复杂，使用的运算部件也较多。在电力电子系统的仿真中，电机数学模型均是用微分方程组的形式给出，故采用微分方程法构成模拟结构图是电力电子系统模拟仿真的主要方法。计算：用欧拉法求解如下微分方程，取步长T=0.1，计算至第5步（n=5）。解：精确解：欧拉法公式为∵∴取步长T=0.1，由T=0开始计算，则分析题：有下述一阶微分方程式：，其中，为系统时间常数。试分析若采用欧拉法求解，计算是否稳定，请指出稳定条件。解答：欧拉法公式为，上述方程化为当计算步长等于2倍系统时间常数时，，说明此时差分方程的解答在数值上随时间增长，符号上在交变，计算将是不稳定的。限幅特性、绝对值特性电力电子系统的建模[实例1]晶闸管具有如下静态特性：；；(当25A时)；正向或反内漏电流在阳极—阴极电压为200V时为1mA，并假设与晶闸管电压成正比。在阳极电流很小时，正向压降假设为恒值，且为1V。计算晶闸管模型参数。（晶闸管按开关模型建模）在晶闸管的截止区间(Ⅰ或Ⅳ区)：在200V时．；截止区可以用电阻来建模。由于假设阳极漏电流与晶闸管电压成正比，有晶闸管在导通区间（Ⅲ区）；在时，；，它表示阳极电流很小时的正向压降，于是则模型参数，，。画图（考）[实例2]晶闸管具有如下静态特性：；；(当25A时)；正向或反内漏电流在阳极—阴极电压为200V时为1mA，并假设与晶闸管电压成正比。在阳极电流很小时，正向压降假设为恒值，且为1V。电源变压器的漏感为1mH。计算晶闸管模型参数。（晶闸管按电阻-电感模型建模）1、在导通状态，晶闸管由0.02Ω的小电阻来建模。2、在关断状态，晶闸管由高阻抗来建模。晶闸管在关断状态的电阻可由给定数据直接求得。 晶闸管导通状态时负载电路的时间常数由下式计算代入数值可计算出。晶闸管关断状态时负载电路的时间常数由下式计算假如，且希望关断状态的时间常数为1ms，可由下式计算将和的数值代入，计算出=200H。这样，晶闸管在关断状态可由200kΩ-200H的高阻抗来建模，而在导通状态由0.02Ω的电阻来建模。计算题：晶闸管按照电感—电阻—电容混合模型建模，计算模型中元件的值。器件额定电压为2000V，额定有效电流为80A，导通时间为lμs。在晶闸管关断试验中，施加的逆变电压为1642V，测得的最大反向电流为14.2A，关断时间在试验条件下为20μs。在1000V电压下，正向漏电流为100mA。解：简答题：晶闸管的开关作用可以用如下逻辑运算函数来表示电力电子系统的计算机方程1、网络图中，具有下述特点的树：(1)所有电压源；(2)所有电容；(3)无电感；(4)无电流源，定义为常态树。2、修正的常态树是包含（1）所有电压源，（2）最大数量的电容，（3）最少数量的电感，（4）没有电流源的一种树。3、为了得到常态树，将模型中元器件按电压源、电容、电阻、电感、电流源的顺序对所有边进行排列。4、若基本割集矩阵写成，基本回路矩阵写成，则与的关系为：。作图题晶体管斩波电路如图所示，画出网络图，并画出按顺序重新排列后的网络图以及其中一个常态树。解答：有一晶体管斩波电路的网络图如图所示，写出该电路的关联矩阵、基本割集矩阵和基本回路矩阵。解：关联矩阵基本割集矩阵基本回路矩阵2、有一McMurray斩波器，其网络拓扑图如图3.2所示。请写出该电路的关联矩阵及基本割集矩阵。关联矩阵基本割集矩阵基本回路矩阵PSPICE电路模拟仿真程序简答题：1、WINDOWS版本的PSPICE软件由哪几大模块部分组成？答案：WINDOWS版本的PSPICE软件由6大模块部分组成。1、Schematics——电路图输入模块；2、PSpiceA/D——电路分析模块；3、Probe——图形后处理模块；4、ModelEditor——器件参数模型提取模块；5、StimulusEditor——独立的模拟信号源与数字信号源的建立与修改模块；6、Optimizer——电路优化设计模块。2、PSPICE软件对电路进行基本分析和高级都有哪些类型？其相关语句命令是什么？答案：PSPICE软件对电路进行基本分析有四种类型。直流分析（1）直流工作点分析（.OP）（2）直流扫描分析（.DC）（3）小信号传输函数计算（.TF）（4）小信号灵敏度（.SENS）（5）节点电压设置（.NODESET）交流分析（1）交流扫描（小信号频率响应）（.AC）（2）噪声分析（.NOISE）瞬态分析（1）瞬态分析/时域响应（.TRAN）（2）傅立叶分析（.FOUR）（3）瞬态初始条件设置（.IC）综合分析（高级分析）综合分析都必须伴随在直流扫描、交流扫描或暂态分析之后才能执行。包括：（1）温度分析（.TEMP）（2）参数扫描分析（.STEP）（3）蒙特-卡罗分析（.MC）（4）最坏情况分析（.WCASE）3、PSPICE电路文件的一般格式是什么？作用是什么？答案：PSPICE电路文件分为6部分。（1）标题语句：描述电路类型的标题。（2）描述语句：定义电路元件和模型参数。（3）分析语句：定义分析类型。（4）输出语句：规定输出形式以及所要求的输出结果。（5）注释语句：进行注释。（6）结束语句：程序结束命令。4、PSPICE仿真软件的软件结构是什么？由哪些模块组成？答案：PSPICE仿真软件为模块式软件结构。共两层，包括根程序和输入模块（READIN）、检查错误模块（ERRCHK）、建立方程模块（SETUP）、直流模块（DCTRAN）、交流模块（ACAN）、迭代模块（ITER）、输出模块（OUTPUT）。PSPICE采用改进节点法建立电路方程；选择了改进的牛顿—拉夫逊方法求解非线性电路方程组；用变步长的吉尔法和梯形法求解常微分方程组。求解过程始终采用了稀疏矩阵技术。5、蒙特-卡罗分析与最坏情况分析的作用区别答案：蒙特-