電力電子電路仿真

1、電力電子電路仿真－MATLAB和PSpice應(yīng)用,第1章 緒 論,計(jì)算機(jī)仿真是建立需研究系統(tǒng)的模型，進(jìn)而在計(jì)算機(jī)上對(duì)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程 計(jì)算機(jī)仿真方法是以計(jì)算機(jī)仿真為手段，通過(guò)在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行模型來(lái)再現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而認(rèn)識(shí)系統(tǒng)規(guī)律的一種研究方法 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是以計(jì)算機(jī)科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、控制理論和應(yīng)用領(lǐng)域有關(guān)的專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具，利用系統(tǒng)模型對(duì)實(shí)際的或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的一門(mén)新興技術(shù)?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)綜

2、合集成了計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、圖形圖像、多媒體、軟件工程、信息處理、自動(dòng)控制等多個(gè)高新技術(shù)領(lǐng)域的知識(shí)，是系統(tǒng)分析與研究的重要手段。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)具有良好的可控性、無(wú)破壞性、安全、可靠、不受外界條件的限制、可多次重復(fù)、高效和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn) 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)經(jīng)歷了模擬計(jì)算機(jī)仿真、混合計(jì)算機(jī)仿真、專用數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真、通用數(shù)字計(jì)算機(jī)仿真等階段，目前已進(jìn)入基于網(wǎng)絡(luò)的分布仿真階段,第1章 緒 論,1.1 仿真的基本概念（3個(gè)基本概念）

3、 1.1.1 系統(tǒng) 定義為具有一定功能，按某種規(guī)律相互聯(lián)系又相互作 用著的對(duì)象之間的有機(jī)組合 任何系統(tǒng)的研究都需要關(guān)注3個(gè)方面的內(nèi)容，即實(shí)體、屬性和活動(dòng)： 實(shí)體　組成系統(tǒng)的具體對(duì)象； 屬性 實(shí)體所具有的每一項(xiàng)有效特性（狀態(tài)和參數(shù)）； 活動(dòng) 系統(tǒng)內(nèi)對(duì)象隨時(shí)間推移而發(fā)生的狀態(tài)變化。,第1章 緒 論,1.1.2 模型 在科學(xué)方法論中，把模型界定為人們?yōu)榱颂囟ǖ难芯磕康亩鴮?duì)認(rèn)識(shí)對(duì)象所做的簡(jiǎn)化描

4、述 模型方法是通過(guò)研究模型來(lái)揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法可以把模型看作是原型物質(zhì)的或觀念上（如數(shù)學(xué)的）的類似物模型分為實(shí)物模型和抽象模型兩大類 1. 建?；顒?dòng) 模型作為系統(tǒng)的原型在研究時(shí)的“替身”，在選擇模型時(shí)，要以便于達(dá)到研究的目的為前提 模型的描述經(jīng)?？梢圆捎孟率鲆恍┰瓌t： （1）相似性 （2）切題性 （3）吻合性 （4）可辨識(shí)性 （5）簡(jiǎn)單化 （6）綜合精度,第1章 緒 論,

5、2. 模型描述的層次 模型可以在不同的抽象層次上來(lái)描述一個(gè)系統(tǒng) ： （1）行為層次 （2）狀態(tài)結(jié)構(gòu)層次 （3）分解結(jié)構(gòu)層次 3. 數(shù)學(xué)模型 數(shù)學(xué)模型是根據(jù)物理概念、變化規(guī)律、測(cè)試結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，用數(shù)學(xué)表達(dá)式、邏輯表達(dá)式、特性曲線、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等來(lái)描述某一系統(tǒng)的表現(xiàn)形式。數(shù)學(xué)模型一般是數(shù)學(xué)方程組。 計(jì)算機(jī)仿真中采用的模型是數(shù)學(xué)模型本質(zhì)是關(guān)于現(xiàn)實(shí)世界一小部分和幾個(gè)方面抽象的數(shù)學(xué)“

6、映像”系統(tǒng)的屬性用變量表示，而系統(tǒng)的活動(dòng)則用相互關(guān)聯(lián)的變量間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系式來(lái)描述不可能對(duì)系統(tǒng)作完全真實(shí)的描述，而只能根據(jù)研究目的對(duì)它作某種近似簡(jiǎn)化的描述,第1章 緒 論,1.1.3 仿真 系統(tǒng)仿真是建立系統(tǒng)、過(guò)程、現(xiàn)象和環(huán)境的模型（物理模型、數(shù)學(xué)模型或其他邏輯模型），在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)模型進(jìn)行操作，應(yīng)用于系統(tǒng)的測(cè)試、分析或訓(xùn)練。 計(jì)算機(jī)仿真3要素和3個(gè)基本活動(dòng) 模型建立是通過(guò)對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的觀測(cè)或檢測(cè)，在忽略次要因素及不

7、可檢測(cè)變量的基礎(chǔ)上，用物理或數(shù)學(xué)的方法進(jìn)行描述，從而獲得實(shí)際系統(tǒng)的簡(jiǎn)化近似模型仿真模型反映了系統(tǒng)模型（簡(jiǎn)化模型）同仿真器或計(jì)算機(jī)之間的關(guān)系，它應(yīng)能為仿真器或計(jì)算機(jī)所接受，并能進(jìn)行運(yùn)行仿真實(shí)驗(yàn)是指對(duì)模型的運(yùn)行 微分方程的數(shù)字解法、離散相似法是數(shù)字仿真的基礎(chǔ)。,,第1章 緒 論,1.2 仿真的分類,第1章 緒 論,1.3 計(jì)算機(jī)仿真 從以下一些方面描述了“仿真”的概念： 對(duì)象：仿真針對(duì)的對(duì)象是

8、系統(tǒng)，包括客觀存在的系統(tǒng)與設(shè)計(jì)中的 系統(tǒng)。 目的：獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為。這是仿真的直接目的。由此而分析 系統(tǒng)、設(shè)計(jì)系統(tǒng)或進(jìn)行決策是仿真活動(dòng)的間接目的。 方法：通過(guò)展開(kāi)系統(tǒng)的模型來(lái)獲得系統(tǒng)的行為或特性。使用模型 是仿真活動(dòng)的一個(gè)重要特征：這表明獲得系統(tǒng)的行為不是 直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作，

9、而是對(duì)系統(tǒng)的模型進(jìn)行操作。為此 首先要建立系統(tǒng)的模型。 方法的實(shí)現(xiàn)：應(yīng)用數(shù)值計(jì)算的方法來(lái)展開(kāi)模型，獲得模型在一定 輸入下的輸出。這是仿真與其他基于模型分析方法的主要 區(qū)別。 設(shè)施：計(jì)算機(jī)。數(shù)值計(jì)算是在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的。,第1章 緒 論,歸納為： 計(jì)算機(jī)（數(shù)字）仿真是在計(jì)算機(jī)上，建立形式化的數(shù)學(xué)

10、模型，然后按一定的實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法展開(kāi)系統(tǒng)的模型來(lái)獲得系統(tǒng)的（動(dòng)態(tài)）行為，從而研究系統(tǒng)的過(guò)程。 計(jì)算機(jī)仿真涉及兩步重要的工作： ①必須建立系統(tǒng)的模型； ②要在計(jì)算機(jī)上對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。如加以區(qū)分，前者稱為建模，而后者可以稱為展模。,第1章 緒 論,1.3.2 計(jì)算機(jī)仿真方法的特點(diǎn)（1）模型參數(shù)任意調(diào)整（2）系統(tǒng)模型快速求解（3）運(yùn)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠（4）仿真的結(jié)

11、果形象直觀1.3.3 計(jì)算機(jī)仿真方法的作用（1）優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（2）降低實(shí)驗(yàn)成本（3）減少失敗風(fēng)險(xiǎn)（4）提高預(yù)測(cè)能力,第1章 緒 論,1.3.4 計(jì)算機(jī)仿真的步驟 仿真是基于模型的活動(dòng)，首先要針對(duì)實(shí)際系統(tǒng)建立其模型。然后在上述模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真建模。 下一步程序設(shè)計(jì)即將仿真模型用計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的程序來(lái)描述。 最后要對(duì)仿真輸出進(jìn)行分析。,第1章 緒 論,1.4 計(jì)算

12、機(jī)仿真技術(shù)在電力電子系統(tǒng)中的應(yīng)用電力電子技術(shù)的現(xiàn)狀：電力電子技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大 復(fù)雜的非線性數(shù)模混合系統(tǒng) 成本增加 設(shè)計(jì)和分析均帶來(lái)了巨大的困難 安全性、經(jīng)濟(jì)性及進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的可能性等在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中往往不易做到。,第1章 緒 論,電子電路設(shè)計(jì)自動(dòng)化（Electronic Design Automation, EDA） 已經(jīng)滲入到電子電路設(shè)計(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，例如原理圖設(shè)計(jì)、邏輯或模擬電路仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)、最壞條件分析、印刷

13、電路板設(shè)計(jì)等 電力電子電路的EDA工具也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。此類工具大體包括：①傳統(tǒng)的電子電路設(shè)計(jì)軟件。通過(guò)引入新的電力電子器件模型可將軟件的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到電力電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中，例如為我國(guó)電路設(shè)計(jì)人員所熟知的PSpice；②專用領(lǐng)域仿真軟件。例如在控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB中加入以理想開(kāi)關(guān)模型為代表的電力電子器件模型，從而使軟件在原有研究領(lǐng)域中面對(duì)采用電力電子裝置的問(wèn)題時(shí)仍可進(jìn)行有效的仿真；③開(kāi)發(fā)新的電力電子系統(tǒng)專用仿真軟

14、件。例如以開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)為目的的SIMPLIS、PSIM等。,第1章 緒 論,計(jì)算機(jī)專業(yè)仿真軟件遵循一定的仿真步驟:(電路時(shí)域分析為例),,第1章 緒 論,各步驟執(zhí)行的功能如下: 1．圖形數(shù)據(jù)化 電路原理圖（即畫(huà)電路圖）輸入方法輸入仿真系統(tǒng) 。電連接網(wǎng)絡(luò)表是連接該電路原理圖和仿真軟件之間的橋梁，只有將電路原理圖翻譯成仿真程序可以識(shí)別的、反映電路中所有元器件性能和相互之間連接關(guān)系的文件，電路原

15、理圖才能作為仿真軟件的輸入被調(diào)用 2．?dāng)?shù)學(xué)建模 這一步根據(jù)第一步建立的點(diǎn)連接網(wǎng)絡(luò)表建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，建模的方法主要有狀態(tài)方程法、改進(jìn)節(jié)點(diǎn)法和拓?fù)浞ā?3．?dāng)?shù)值積分 計(jì)算機(jī)對(duì)連續(xù)系統(tǒng)進(jìn)行求解，利用數(shù)值積分方法進(jìn)行離散化，以得到對(duì)系統(tǒng)的仿真分析結(jié)果。 在此基礎(chǔ)上，仿真軟件通常還可以滿足對(duì)仿真結(jié)果的性能分析，波形處理的功能要

16、求，如：諧波分析、頻域分析等。,PSpice軟件安裝步驟：,第一步：安裝盤(pán)a放入計(jì)算機(jī)光驅(qū),PSpice軟件安裝步驟：,第二步：拷貝文件夾license Manager到C:\根目錄下第三步：回到安裝盤(pán)，點(diǎn)擊setup.exe文件，運(yùn)行安裝,PSpice軟件安裝步驟：,屏幕出現(xiàn)：,PSpice軟件安裝步驟：,點(diǎn)擊“確定”：,PSpice軟件安裝步驟：,點(diǎn)擊“next”,PSpice軟件安裝步驟：,點(diǎn)擊”yes”,PSpice軟件安裝步

17、驟：,點(diǎn)擊“network licensing”,PSpice軟件安裝步驟：,選擇”install products”,PSpice軟件安裝步驟：,使用“browse”選擇拷貝到c:\下的license manager文件夾所在路徑即：,PSpice軟件安裝步驟：,,PSpice軟件安裝步驟：,點(diǎn)擊”O(jiān)K”,PSpice軟件安裝步驟：,點(diǎn)擊“next”,PSpice軟件安裝步驟：,點(diǎn)擊“Next”,PSpice軟件安裝步驟：,點(diǎn)擊“ye

18、s”,PSpice軟件安裝步驟：,從安裝列表中選擇要安裝的產(chǎn)品：共五項(xiàng)（包含Pspice字眼）,PSpice軟件安裝步驟：,點(diǎn)擊“next”程序開(kāi)始安裝，程序開(kāi)始安裝，安裝到63%，安裝盤(pán)a安裝完畢，提示放入安裝盤(pán)b，將安裝盤(pán)a取出，放入安裝盤(pán)b，選擇好安裝路徑，點(diǎn)擊“OK”，繼續(xù)剩余安裝。最后點(diǎn)擊“finish”。 程序安裝完畢后，回到計(jì)算機(jī)桌面，點(diǎn)擊“開(kāi)始”----選擇 “運(yùn)行” ----輸入 “sysedit

19、”回車----在打開(kāi)的autoexec.bat文件中鍵入：set lm_license_file=c:\license manager\license.dat,PSpice軟件安裝步驟：,------鍵入完畢保存----重啟計(jì)算機(jī)，是設(shè)置生效。全部安裝完畢。,第2章 系統(tǒng)建模方法,系統(tǒng)仿真建模的基本要求：（1）清晰（2）切題 （3）精密（4）集合 系統(tǒng)仿真建模的基本途徑：（1）機(jī)理建模法（2）實(shí)驗(yàn)建模法 （3）綜

20、合建模法,第2章 系統(tǒng)建模方法,系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型一般是非線性連續(xù)狀態(tài)空間模型，其通用形式是常微分方程組形式： （2-1）式中，x為n維狀態(tài)向量； u為m維輸入向量； y為l

21、維輸出向量； h為約束方程； w和v是維數(shù)適當(dāng)?shù)脑肼曄蛄俊?,第2章 系統(tǒng)建模方法,2.2.1 連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)模型（四種）微分方程如果系統(tǒng)是線性定常系統(tǒng)，則微分方程可寫(xiě)成如下形式： 式中

22、及 為常系數(shù)； ； 為y(t)和u(t)的各階導(dǎo)數(shù)。,,,,,,,第2章 系統(tǒng)建模方法,2. 傳遞函數(shù)3. 權(quán)函數(shù)4. 狀態(tài)空間方程,,,第2章 系統(tǒng)建模方法,2.2.2 離散時(shí)間系統(tǒng)模型（四種）差分方程2. 離散傳遞函數(shù)3. 權(quán)序列模型4. 離散狀態(tài)空間方程,,,,第2章

23、 系統(tǒng)建模方法,2.2.3 連續(xù)－離散混合模型 為數(shù)字控制系統(tǒng)的離散傳遞函數(shù) 為保持器的傳遞函數(shù) 為被控對(duì)象的連續(xù)傳遞函數(shù)。,,,,,第2章 系統(tǒng)建模方法,2.3 數(shù)學(xué)模型之間的相互轉(zhuǎn)換2.3.1 微分方程轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程 兩種情況： 1. 系統(tǒng)輸入量不含導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的情形 2. 系統(tǒng)輸入量中含有導(dǎo)數(shù)項(xiàng)的情形（參見(jiàn)控制理論相關(guān)內(nèi)容）,

24、第2章 系統(tǒng)建模方法,2.3.2 結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程1. 積分環(huán)節(jié)對(duì)于積分環(huán)節(jié)其對(duì)應(yīng)的狀態(tài)空間方程為 2. 慣性環(huán)節(jié)見(jiàn)書(shū)3. 二階振蕩環(huán)節(jié)見(jiàn)書(shū),,,,,第2章 系統(tǒng)建模方法,2.3.3 傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)換為狀態(tài)方程1. 直接法傳遞函數(shù)為的系統(tǒng)，可根據(jù)上述分析直接推導(dǎo)出如下的狀態(tài)方程：,,,,第2章 系統(tǒng)建模方法,2. 串聯(lián)法 將系統(tǒng)傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化成若干環(huán)節(jié)的乘積 ，然后再轉(zhuǎn)化成狀態(tài)方程（例見(jiàn)書(shū)）3

25、. 并聯(lián)法 將傳遞函數(shù)轉(zhuǎn)化為 的形式，其中 為該函數(shù)的互異極點(diǎn)，則狀態(tài)方程為：,,,,,第2章 系統(tǒng)建模方法,2.3.4 狀態(tài)方程轉(zhuǎn)換為傳遞函數(shù)系統(tǒng)的狀態(tài)空間方程為 容易求得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為,,,,第2章 系統(tǒng)建模方法,2.4 電力電子電路的建模2.4.1 電力半導(dǎo)體器件的仿真模型 1. 晶閘管的開(kāi)關(guān)模型,,第2章 系統(tǒng)建模方法,靜態(tài)特性，

26、即I、III、IV區(qū)。假設(shè)： ①正向漏電流正比于陽(yáng)－陰極電壓，在I區(qū)用 表示，即 ②反向漏電流正比于陽(yáng)－陰極電壓，在IV區(qū)用 表示，即 ③正向?qū)ㄌ匦员硎居贗II區(qū)，電壓-電流特性由下式給出： 為晶閘管的正向壓降； 為晶閘管陽(yáng)極電流很小時(shí)的正向壓降 ； 為晶閘管的正向?qū)娮瑁?為晶閘管的正向?qū)娏鳌?,,,,,,,,,第2章 系統(tǒng)