电力电子仿真：理想开关课件.ppt

计算机仿真在电力电子技术中的应用 清华大学电机工程与应用电子技术系 2003年9月北京 近年来随着电力电子装置应用的日益普及，推出了一系列基于理想开关模型的专用仿真软件，如用于开关电源设计的SIMPLIS，SCAT和电力电子电路设计的PSIM等[1]，这些软件充分利用了理想开关电路在仿真中比详细器件模型电路效率高的特点，但也存在包括上述的参数优化等一系列影响仿真精度的问题。由于这些软件在我国应用并不普及，所以这里不拟加以介绍。 但应当指出，MATLIB从结构上适于对微分方程和传递函数所描述的系统进行仿真，而由于大量工具箱的引入它特别适于对控制系统进行优化设计，进行电力电子系统仿真并不是其所长。注意到目前许多新推出的软件如PSCAD均备有和MATLIB的接口，所以将它和其他适于进行电力电子系统仿真的软件相结合，而将MATLIB专用于电力电子系统的控制系统设计应当是最有佳的选择。 随着电力电子装置应用的日益普及，为了将其应用范围扩展到电力电子领域，该公司于1998年推出了包括以双电阻理想开关模型为基础的电力系统软件包（POWER SYSTEM BLOCKSET），为MATLAB用户进行电力电子电路的仿真提供了有力的工具。这样对于电力电子电路MATLIB既可以用MATLIB的M语言进行编程，也可以用Simulink进行。应用中，由于MATLIB本身具有丰富的微分方程算法和图形处理功能所以比较灵活，便于按仿真要求优化配置。但是该软件和其他基于理想开关模型的软件一样，不能对于开关的动态过程进行精确的描述；而利用电力系统软件包在SIMULINK条件下进行仿真速度较慢，这成为阻碍其应用的又一个问题。 下面分别介绍利用M语言编写的降压斩波器程序和Simulink生成的零电流谐振变流器的原理图和仿真曲线。 应用中，由于MATLIB本身具有丰富的微分方程算法和图形处理功能所以比较灵活，便于按仿真要求优化配置。但是该软件和其他基于理想开关模型的软件一样，不能对于开关的动态过程进行精确的描述；而利用电力系统软件包在SIMULINK条件下进行仿真速度较慢，这成为阻碍其应用的又一个问题。 为了说明Matlib在仿真中的应用，引入降压斩波器模型。降压斩 波器在包括电流不连续工况的条件下有3个可能的拓扑，与其对 应的拓扑图和状态方程见下： * * 1.3.3 OrCAD在仿真中的收敛性 ? 在进行DC扫描和暂态分析时，PSPICE需利用牛顿拉夫逊法从一组初始近似值开始，通过若干次迭代逼近非线性方程组的解。尽管实际的物理系统均是存在解的，但在利用数值方法进行暂态过程求解时，往往由于解法的限制不能得到方程的解，即收敛到一组相容的电压和电流。解决算法发散问题的途径一是确定一个合理的初值，但在实践中并没有一个一般的方法去寻找初值。其次是具有尽可能宽的动态范围，但由于计算机硬件的原因，目前版本的PSPICE算法的精度和动态范围均受到一定的限制，这包括： 1 由于采用双精度算法，PSPICE的精度为15位； 2 电压和电流的量值限制在?1E10伏和安培的范围； 3 导数的大小限制在1E14以下； 运行参数设定 ?Pspice的运行参数作为可设定的选项对于仿真计算的结果的收敛性和分析精度具有重大的影响。在实际仿真中，运行参数的主要选项如图所示，其中对于电力电子电流仿真影响最大的是模拟仿真参数设置，可设置参数包括：电压和电流的相对误差RELTOL电压的绝对误差（也称最佳精度，下同）VNTOL，缺省值为1.0uV；电流的绝对误差ABSTOL；电荷的绝对误差CHGTOL；任何支路的最小电导GMIN，）；直流和偏置点迭代次数极限ITL1；直流和偏置点最佳估计次数ITL2；暂态分析迭代极限ITL4；位于Advanced Options选项窗口中的总迭代次数ITL5＝0（无穷）；标称温度TNOM，27Co。其他选项包括是否对最小电导进行步进调节（STEPGMIN），该方法是在计算失败后通过增大并联电导的值，即减小并联电阻的值，来帮助改善计算的收敛性；以及是否通过预定制降低矩阵阶数（PREORDER）等。 PSPICE中由于RELTOL（相对精度）通常取为0.1％，所以仿真计算中可以应用的动态范围为12位。此时如按缺省值ABSTOL取1pA，则当电路的最大电流为数KA时，所需动态范围为，即超过软件的限制，从而引起计算结果发散。所以，在仿真大功率电路时，如电流的峰值在KA等级时，ABSTOL取为1uA；当峰值在MA等级时取1mA。 作为一般的准则，VNTOL和ABSTOL取为比电路典型的电压和电流值小9个数量级。虽然VNTOL＝1uV在实际中可以满足绝大多数功率电路的要求，但为了改善其计算的收敛性，建议将该值取为1mV。 此外，将相对精度（RELTOL）降低到1％可以使