计算机仿真技术电力电子仿真建模基础

第二章

电力电子仿真建模基础11/13/2024一、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。11/13/20241.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11/13/2024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11/13/20241.2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器件开、关电路拓扑结构变化状态方程周期性变化结构变化的时刻(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11/13/2024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11/13/20241.3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11/13/2024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11/13/2024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11/13/20242.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11/13/20242.1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11/13/2024三个研究对象：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。系统装置器件2.2器件、装置与系统建模11/13/2024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。11/13/2024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11/13/2024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11/13/20243.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11/13/2024

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。11/13/2024

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。11/13/2024

ORCAD/PSpice中器件模型举例二极管模型11/13/202411/13/2024

IGBT模型11/13/2024

IGBT模型11/13/2024ORCAD/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。11/13/20244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11/13/2024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。11/13/2024例：Boost电路

11/13/202411/13/2024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11/13/2024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11/13/20245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11/13/2024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)11/13/2024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11/13/2024状态平均方程例：Boost电路11/13/2024Boost电路状态平均方程进一步简化

小信号模型11/13/20245.2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。