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电力电子电路仿真


电力电子电路仿真 -MATLAB和PSpice应用

第1章 绪 论
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计算机仿真是建立需研究系统的模型,进而在计算机上对模型进行实 验研究的过程 计算机仿真方法是以计算机仿真为手段,通过在计算机上运行模型来 再现系统的运动过程,从而认识系统规律的一种研究方法 计算机仿真技术是以计算机科学、系统科学、控制理论和应用领域有 关的专业技术为基础,以计算机为工具,利用系统模型对实际的或设 想的系统进行分析与研究的一门新兴技术。现代计算机仿真技术综合 集成了计算机、网络、图形图像、多媒体、软件工程、信息处理、自 动控制等多个高新技术领域的知识,是系统分析与研究的重要手段。 计算机仿真技术具有良好的可控性、无破坏性、安全、可靠、不受外 界条件的限制、可多次重复、高效和经济性等特点 计算机仿真技术经历了模拟计算机仿真、混合计算机仿真、专用数字 计算机仿真、通用数字计算机仿真等阶段,目前已进入基于网络的分 布仿真阶段

第1章 绪 论
1.1 仿真的基本概念(3个基本概念)

1.1.1 系统 定义为具有一定功能,按某种规律相互联系又相互作 用着的对象之间的有机组合 任何系统的研究都需要关注3个方面的内容,即实体、属性和活动:
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实体 组成系统的具体对象; 属性 实体所具有的每一项有效特性(状态和参数); 活动 系统内对象随时间推移而发生的状态变化。

第1章 绪 论
1.1.2 模型 在科学方法论中,把模型界定为人们为了特定的研究 目的而对认识对象所做的简化描述
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模型方法是通过研究模型来揭示原型的形态、特征和本质的方法 可以把模型看作是原型物质的或观念上(如数学的)的类似物 模型分为实物模型和抽象模型两大类 1. 建模活动 模型作为系统的原型在研究时的“替身”,在选择模 型时,要以便于达到研究的目的为前提

模型的描述经常可以采用下述一些原则:
(1)相似性 (2)切题性 (3)吻合性 (4)可辨识性 (5)简单化 (6)综合精度

第1章 绪 论
2. 模型描述的层次 模型可以在不同的抽象层次上来描述一个系统 : (1)行为层次 (2)状态结构层次 (3)分解结构层次 3. 数学模型 数学模型是根据物理概念、变化规律、测试结果和经验 总结,用数学表达式、逻辑表达式、特性曲线、实验数据等来描述某 一系统的表现形式。数学模型一般是数学方程组。
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计算机仿真中采用的模型是数学模型 本质是关于现实世界一小部分和几个方面抽象的数学“映像” 系统的属性用变量表示,而系统的活动则用相互关联的变量间的数学 函数关系式来描述 不可能对系统作完全真实的描述,而只能根据研究目的对它作某种近 似简化的描述

第1章 绪 论
系统 模型建立 仿真试验 模型 仿真模型建立 计算机

1.1.3 仿真 系统仿真是建立系统、过程、现象和环境的模型(物理模 型、数学模型或其他逻辑模型),在一段时间内对模型进行操作,应 用于系统的测试、分析或训练。

计算机仿真3要素和3个基本活动 ? 模型建立是通过对实际系统的观测或检测,在忽略次要因素及不可检 测变量的基础上,用物理或数学的方法进行描述,从而获得实际系统 的简化近似模型 ? 仿真模型反映了系统模型(简化模型)同仿真器或计算机之间的关系, 它应能为仿真器或计算机所接受,并能进行运行 ? 仿真实验是指对模型的运行
微分方程的数字解法、离散相似法是数字仿真的基础。

第1章 绪 论
1.2 仿真的分类

模型 物理仿真
数学仿真 半实物仿真

计算机类型 模拟计算机仿真
数字计算机仿真 数字模拟混合仿真

时钟比例关系 实时仿真
亚实时仿真 超实时仿真

系统模型的特性 连续系统仿真
离散事件系统仿真

第1章 绪 论
?

1.3 计算机仿真
从以下一些方面描述了“仿真”的概念:
对象:仿真针对的对象是系统,包括客观存在的系统与设计中的 系统。 目的:获得系统的动态行为。这是仿真的直接目的。由此而分析 系统、设计系统或进行决策是仿真活动的间接目的。 方法:通过展开系统的模型来获得系统的行为或特性。使用模型 是仿真活动的一个重要特征:这表明获得系统的行为不是 直接对系统进行操作,而是对系统的模型进行操作。为此 首先要建立系统的模型。 方法的实现:应用数值计算的方法来展开模型,获得模型在一定 输入下的输出。这是仿真与其他基于模型分析方法的主要 区别。 设施:计算机。数值计算是在计算机上进行的。

第1章 绪 论
?

归纳为:

计算机(数字)仿真是在计算机上,建立形式化的数学模型,然后 按一定的实验方案,通过数值计算的方法展开系统的模型来获得系统 的(动态)行为,从而研究系统的过程。 计算机仿真涉及两步重要的工作: ①必须建立系统的模型; ②要在计算机上对模型进行数值计算。如加以区分,前者称为建模, 而后者可以称为展模。

第1章 绪 论
1.3.2 计算机仿真方法的特点

(1)模型参数任意调整 (2)系统模型快速求解 (3)运算结果准确可靠 (4)仿真的结果形象直观
1.3.3 计算机仿真方法的作用 (1)优化系统设计 (2)降低实验成本 (3)减少失败风险 (4)提高预测能力

第1章 绪 论
1.3.4 计算机仿真的步骤

仿真是基于模型的活动,首先要针对实际系统建立其模型。 然后在上述模型的基础上进行仿真建模。
下一步程序设计即将仿真模型用计算机能执行的程序来描述。 最后要对仿真输出进行分析。

第1章 绪 论
1.4 计算机仿真技术在电力电子系统中的应用

电力电子技术的现状:
电力电子技术应用范围不断扩大 复杂的非线性数模混合系统 成本增加 设计和分析均带来了巨大的困难 安全性、经济性及进行实验研究的可能性等在现场实验中往往不易做到。

第1章 绪 论
电子电路设计自动化(Electronic Design Automation, EDA) 已经渗入 到电子电路设计的各个领域,例如原理图设计、逻辑或模拟电路仿真、 优化设计、最坏条件分析、印刷电路板设计等 电力电子电路的EDA工具也得到了长足的发展。 此类工具大体包括: ①传统的电子电路设计软件。通过引入新的电力电子器件模型可将软件 的应用领域扩展到电力电子系统的设计之中,例如为我国电路设计人 员所熟知的PSpice; ②专用领域仿真软件。例如在控制系统仿真软件MATLAB中加入以理想 开关模型为代表的电力电子器件模型,从而使软件在原有研究领域中 面对采用电力电子装置的问题时仍可进行有效的仿真; ③开发新的电力电子系统专用仿真软件。例如以开关电源设计为目的的 SIMPLIS、PSIM等。

第1章 绪 论
计算机专业 仿真软件遵 循一定的仿 真步骤: (电路时域分析为例)

电路图绘制 图形数据化 电连接网表 数学建模 系统状态方程 离散化 非线性代数 方程组 线性化 线性代数 方程组 求解 方程解

?

状态方程 拓扑法 改进节点法 数值积分法 欧拉法 龙格库塔法 牛顿-拉夫逊法

?

第1章 绪 论
各步骤执行的功能如下: 1.图形数据化 电路原理图(即画电路图)输入方法输入仿真系统 。电连接网络 表是连接该电路原理图和仿真软件之间的桥梁,只有将电路原理图翻 译成仿真程序可以识别的、反映电路中所有元器件性能和相互之间连 接关系的文件,电路原理图才能作为仿真软件的输入被调用 2.数学建模 这一步根据第一步建立的点连接网络表建立系统的数学模型,建 模的方法主要有状态方程法、改进节点法和拓扑法。 3.数值积分 计算机对连续系统进行求解,利用数值积分方法进行离散化,以 得到对系统的仿真分析结果。 在此基础上,仿真软件通常还可以满足对仿真结果的性能分析, 波形处理的功能要求,如:谐波分析、频域分析等。

PSpice软件安装步骤:
第一步:安装盘a放入计算机光驱

PSpice软件安装步骤:
第二步:拷贝文件夹license Manager到C:\根目 录下 第三步:回到安装盘,点击setup.exe文件,运 行安装

PSpice软件安装步骤:
屏幕出现:

PSpice软件安装步骤:
点击“确定”:

PSpice软件安装步骤:
点击“next”

PSpice软件安装步骤:
点击”yes”

PSpice软件安装步骤:
点击“network licensing”

PSpice软件安装步骤:
选择”install products”

PSpice软件安装步骤:
使用“browse”选择拷贝到c:\下的license manager文件夹所在路径即:

PSpice软件安装步骤:

PSpice软件安装步骤:
点击”OK”

PSpice软件安装步骤:
点击“next”

PSpice软件安装步骤:
点击“Next”

PSpice软件安装步骤:
点击“yes”

PSpice软件安装步骤:
从安装列表中选择要安装的产品: 共五项(包含Pspice字眼)

PSpice软件安装步骤:
点击“next”程序开始安装,程序开始安装, 安装到63%,安装盘a安装完毕,提示放入安 装盘b,将安装盘a取出,放入安装盘b,选择 好安装路径,点击“OK”,继续剩余安装。最 后点击“finish”。 程序安装完毕后,回到计算机桌面,点击 “开始”----选择 “运行” ----输入 “sysedit” 回车----在打开的autoexec.bat文件中键入: set lm_license_file=c:\license manager\license.dat

PSpice软件安装步骤:

------键入完毕保存----重启计算机,是设置生效。 全部安装完毕。

第2章 系统建模方法
系统仿真建模的基本要求: (1)清晰 (2)切题 (3)精密 (4)集合 系统仿真建模的基本途径: (1)机理建模法 (2)实验建模法 (3)综合建模法

第2章 系统建模方法
系统的数学模型一般是非线性连续状态空间模型,其通用 形式是常微分方程组形式:
? ? x ? f ( x , u, w , t ) ? y ? g ( x , u, v , t ) ? ? ? x (t0 ) ? x0 ?0 ≤ h( x , u, t ) ?

(2-1)

式中,x为n维状态向量; u为m维输入向量; y为l维输出向量; h为约束方程; w和v是维数适当的噪声向量。

第2章 系统建模方法
2.2.1 连续时间系统模型(四种) 1. 微分方程

y (n) ? f (t,y,y (1),...,y (n?1),u,u(1),...,u(m))
如果系统是线性定常系统,则微分方程可写成如下形式:
y (n) ? a n-1 y (n ?1) ? ... ? a1 y (1) ? a0 y ? bmu (m) ? bm-1u (m ?1) ? ... ? b1u (1) ? b0u

式中 a0,a1,...,an-1 及 b0,b1,...,bm?1 为常系数;
y (1),y (2),.. y (n) .,

; u(1),u(2),...,u(m)为y(t)和u(t)的各阶导数。

第2章 系统建模方法
2. 传递函数
Y ( s) bm s m ? bm-1s m?1 ? ? ? b1s ? b0 G( s) ? ? U ( s) s n ? an-1s n ?1 ? ? ? a1s ? a0

3. 权函数 4. 状态空间方程
? ? x = Ax + Bu ? ? y = Cx + Du

第2章 系统建模方法
2.2.2 离散时间系统模型(四种) 1. 差分方程
y(n ? k ) ? an-1 y(n+k -1) ? ... ? a0 y(k ) ? bmu(m ? k ) ? bm-1u(m ? k ? 1) ? ... ? b0u(k )

2. 离散传递函数
H ( z ) ? Y ( z ) / U ( z ) ? (? bm-j z ) /(1 ? ? an-j z ? j )
?j j ?0 j ?0 m n

3. 权序列模型 4. 离散状态空间方程
? x (k ? 1) ? Ax (k ) ? Bu(k ) ? ? y (k ? 1) ? Cx (k ) ? Du(k )

第2章 系统建模方法
2.2.3 连续-离散混合模型
r
e
u ( KT )

u (t )

y (t )

数字控 制器
D( z )

保持器
Gh ( s )

控制 对象
G (s)

D( z ) 为数字控制系统的离散传递函数

Gh (s) 为保持器的传递函数
G ( s ) 为被控对象的连续传递函数。

第2章 系统建模方法
2.3 数学模型之间的相互转换 2.3.1 微分方程转换为状态方程 两种情况: 1. 系统输入量不含导数项的情形 2. 系统输入量中含有导数项的情形(参见控制理论相关内容)

第2章 系统建模方法
2.3.2 结构图转换为状态方程 1. 积分环节 对于积分环节 1/ s ? ?x ? u 其对应的状态空间方程为

? ?y ? x

2. 惯性环节 1 / (s ? a) 见书 2 3. 二阶振荡环节 1/(s ? as ? b) 见书

第2章 系统建模方法
2.3.3 传递函数转换为状态方程 1. 直接法 传递函数为 G( s) ? (bn-1s n?1 ? bn-2 s n?2 ? ... ? b0 ) /( s n ? an-1s n?1 ? ... ? a0 ) 的系统,可根据上述分析直接推导出如下的状态方程:
?0 ?0 ? ? x?? ? ? ?0 ?-a0 ? 1 0 ? 0 -a1 0 1 ? 0 -a2 0 ? ?0 ? ? ? ? 0 ? ?0 ? ? ? ? ? x ? ?? ? u ? ? ? ? 1 ? ?0 ? ?1 ? ? ?an-1 ? ? ? ? ?

y ? ?b0

b1 ? bn-1 ? x

第2章 系统建模方法
2. 串联法 将系统传递函数转化成若干环节的乘积 ,然后再转化成状态方程(例 见书) 3. 并联法 将传递函数转化为

G(s) ? Y (s) / U (s) ? k1 /(s ? ?1 ) ? k2 /(s ? ?2 ) ? .. ? kn /(s ? ?n ) .
的形式,其中 ?1,?2,...,?n 为该函数的互异极点,则状态方程为:
??1 ? ?0 ? x? ?? ? ?0 ? 0

?2
? 0

0? ?1? ?? ? 0? ? x ? ?1? u ?? ? ? ?? ?? ? ? ?n ? ?1? ? ?

y ? ? k1 ?

k2 ? kn ? x

第2章 系统建模方法
2.3.4 状态方程转换为传递函数 系统的状态空间方程为 ? x = Ax + Bu
y = Cx + Du

容易求得系统的传递函数为
Φ(s) ? C (sI - A)?1 B ? D

第2章 系统建模方法
2.4 电力电子电路的建模 2.4.1 电力半导体器件的仿真模型 1. 晶闸管的开关模型 I(A)
III 区

IH

II区 I区
U FDO

U ROM
IV区

0

U AK

U FOM U (V)

第2章 系统建模方法
静态特性,即I、III、IV区。假设: ①正向漏电流正比于阳-阴极电压,在I区用 I fl 表示,即

U AK ? I fl roff

②反向漏电流正比于阳-阴极电压,在IV区用 I rl 表示,即
U AK ? I rl roff

③正向导通特性表示于III区,电压-电流特性由下式给出:
U FD ? U FDO ? ron I F
U FD
U 为晶闸管的正向压降; FDO 为晶闸管阳极电流很小时的正向压降 ; ron 为晶闸管的正向导通电阻; I F 为晶闸管的正向导通电流。

第2章 系统建模方法
晶闸管在不同区间的等效电路如图
A
I A ? I r1

A
IA

A IA ? I f1

roff

roff
U FDO
K K

roff

K

I区

III区

IV区


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